▲ 개발한 위상 변조 메타표면과 핵심 구조인 다중양자우물 구조의 작동 원리(a) 전기적 위상 변조를 활용한 세가지 기능(파장판, 빔 회절, 빔 조향)의 광학 메타표면 개념도. (b) 메타표면의 단위 구조. 메타표면의 단위 구조에 (c)+1V, (d) -1V 전압을 가하였을 때 다장양자우물 구조 내 전자의 양자화된 에너지(그림 및 그림설명= UNIST)

메타표면은 파장보다 작은 크기의 구조체가 2차원 배열로 이뤄져 매우 얇은 두께를 가진다. 또한 국부적으로 빛의 위상, 세기 및 편광을 조절할 수 있다. 하지만 그동안 보고된 메타표면은 대부분 수동형 소자이며, 제작한 이후에는 광학적 특성 및 기능을 변화시킬 수 없어 다양한 방식으로 응용하는데 한계가 있었다.

UNIST 전기전자공학과 이종원 교수팀은 전기로 빛의 세기와 위상을 독립적으로 조절해 파동에서 동일한 위상으로 진동하는 모든 점들의 집합을 나타내는 가상적인 면인 ‘파면’ 및 빛의 전기장이 특정한 방향으로 진동하는 특성인 ‘편광’ 상태를 조절할 수 있는 ‘중적외선 영역 능동 메타표면’을 개발했다. 이를 통해 하나의 소자에서 선형편광의 빛을 원형편광의 빛으로 변조시킬 수 있는 파장판과 전압에 따라 빛의 진행 방향을 조절할 수 있는 메타표면도 구현했다. 이번 연구를 통해 종이처럼 얇으며 전기로 조절하는 다중 초점 렌즈, 홀로그램 기술 등이 현실화될 것으로 보인다.

중적외선 영역 능동 메타표면은 전압으로 조절 가능하며 국부적인 빛의 세기와 위상을 독립적으로 조절할 수 있다. 따라서 제작한 이후에도 다양한 방식으로 활용 가능하다. 즉 하나의 광소자를 통해 렌즈, 편광자, 빔조향기 등 다양한 기능을 동시에 구현할 수 있다.

또한, 개발된 메타표면은 빛의 편광을 변화시키는 기존의 광학기기인 편광자 및 파장판과 비교해 두께가 얇아 경량화가 가능하다. 특히 파장판의 경우 작동범위가 단일파장인 것에 비해 광범위한 파장에서 작동할 수 있는 장점이 있다.

제 1 저자인 정형주, 황인용 전기전자공학과 연구원은 “개발한 메타표면은 플라즈모닉 공진 구조와 이종접합 반도체층, 즉 다중양자우물 구조에 의해 결정된다”며 “이를 활용해 구조를 변화시킴으로써 중적외선 영역의 다양한 주파수에서 빛의 위상과 세기를 조절할 수 있는 능동 메타표면을 개발할 수 있다”고 설명했다.

이종원 전기전자공학과 교수는 “이번에 개발된 메타표면 기반 광소자는 빛의 편광 상태를 자유자제로 변조시킬 수 있는 능동 파장판, 빛의 초점 거리를 다양하게 가질 수 있는 능동 메타렌즈, 더 나아가 빛 세기 뿐만 아니라 위상까지 실시간으로 조절해야 움직이는 홀로그램 기술 등에도 응용할 수 있을 것이다”고 전망했다.

이번 연구결과는 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 4월 7일 자로 온라인 공개됐다.

논문명은 Electrical phase modulation based on mid-infrared intersubband polaritonic metasurfaces 이다.