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유해물질 감지하는 새로운 중적외선 변환 기술 개발...빛 파장 변화 메타표면
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유해물질 감지하는 새로운 중적외선 변환 기술 개발...빛 파장 변화 메타표면
  • 김유정 기자
  • 승인 2020.12.17 12:56
  • 댓글 0
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UNIST 이종원 교수팀, 장파장 중적외선을 중파장 중적외선으로
표면에 부딪힌 빛 원편광 회전 방향 따라 선택적으로 빛 파장 변화
세계적 학술지 Nano Letters 게재
[연구진사진] 이종원 교수 연구팀(우측 하단 이종원 교수) /UNIST 제공

국내 연구진이 유해물질의 성분 등을 분석하는 데 쓰이는 새로운 중적외선 변환 기술을 개발했다. 

울산과학기술원(UNIST) 이종원 교수 연구팀은 입사되는 빛의 원편광 회전 방향에 따라 빛 파장을 선택적으로 바꾸는 새로운 메타표면을 개발했다고 17일 밝혔다. 

장파장 중적외선을 이보다 파장이 더 짧은 중파장 중적외선으로 바꾸는 기술이다.

메타표면(Metasurface)은 이차원의 파장보다 작은 메타원자들의 배열로 이루어진 구조체 파장보다 작은 영역에서 산란되는 빛의 진폭과 위상, 편광 등을 조절할 수 있는 특징을 가진다. 물질을 이루는 구조의 배열과 패턴 등이 중요하게 작용해 기존에 나타나지 않던 물리적 특성을 만든다. 

이로인해 기존의 큰 부피의 광학기기를 혁신적으로 데체할 수 있는 2차원 평명 광학이라는 새로운 개념이 떠오르고 있다.

개발된 메타표면에 입사된 빛은 원편광 회전 방향에 따라 그 파장이 1/2(우원편광) 또는 1/3(좌원편광)로 크기로 줄어든 새로운 파장의 빛으로 변환된다. 이 특성을 이용하면 상용화된 장파장 중적외선 레이저 빛을 메타표면에 쏘아 파장이 짧은 중파장 중적외선 영역 빛을 쉽게 얻을 수 있다.

중적외선을 이용한 흡수분광분석은 물질 분석법 중 가장 높은 정확도와 식별력 갖는다. 흡수분광분석은 빛을 물질에 흡수시켜 성분을 분석하는 것을 말하는데 기존의 중적외선 영역 빛을 내는 레이저 광원은 나노미터 두께의 반도체를 수천 겹 가량 쌓아 만들기 때문에 제조 과정이 까다롭고, 광원 하나 가격도 비쌀뿐더러 광원 하나로 전체 중적외선의 일부만 만들 수 있다는 문제가 있다.

메타아톰 구조 및 원편광 반응 선택성 (왼쪽) 개발된 비선형 카이랄 메타표면 개념도. 빛의 편광 방향에 따라 반사되는 빛의 진동수(파장)가 달라진다. 우원편광(RCP)일 때는 진동수가 2배(파장 1/2배, 제2고조파), 좌원편광(LCP)일 때는 진동수가 3배(파장 1/3배, 제3고조파)로 바뀐다. (가운데) 제2고조파 발생 (SHG)에 대한 비선형 원형 이색성 실험 및 시뮬레이션 결과. (오른쪽) 제3고조파 발생 (THG)에 대한 비선형 원형 이색성 실험 및 시뮬레이션 결과.

이종원 교수 연구팀이 개발한 메타표면을 쓰면 하나의 중적외선 레이저로 중적외선(3~12μm) 대부분 영역을 포함하는 빛 생성이 가능하다. 상용화된 9-12μm(마이크로미터, 10-6m) 가변파장 중적외선 레이저 빛의 우원편광 성분으로는 4.5~6μm의 파장 대역 빛을, 좌원편광 성분으로 3~4(μm) 파장 대역 빛을 만들 수 있기 때문이라고 한다.

이종원 교수는 “상용화된 중적외선 레이저와 하나의 메타표면을 이용해 여러 대의 중적외선 레이저를 보유한 것과 같은 효과를 얻을 수 있음을 이번 연구를 통해 확인했다”고 말했다.

이번에 개발한 메타표면은 비선형 원형이색성이 두 종류의 파장변환 (1/2 및 1/3 파장변환)에 대해 동시에 최대값인 1에 가깝고 효율도 기존 대비 100배 이상 향상됐다.

제1저자인 김대익 UNIST 전기전자공학과 박사과정 연구원은 “기존 비선형 카이랄 메타표면이 갖는 낮은 비선형 원형이색성과 효율성 문제를 동시한 해결한 최초의 연구”라고 설명했다

메타표면은 여러 층으로 구성된 아주 얇은 반도체(다중양자우물)위에 2종류의 특이한 기하학적 구조(깨진 거울 반전 대칭 구조)를 갖는 메타 아톰이 배열된 형태다. 빛의 위상도 이 메타아톰을 회전시켜 원하는 대로 바꿀 수 있다는 장점이 있기 때문에 두꺼운 렌즈 없이 빛을 모으거나 분산시킬 수 있다.

아주 얇은 카메라 같은 평면광학기기 구현도 가능한 이유이다.

개발된 메타표면의 이미지 및 원형이색성 (왼쪽) 비선형 카이랄 메타표면을 이용한 선택적 고조파 발생 및 고조파 빔 조향(위상 조절을 통해 빛을 원하는 곳으로 보내는 것)개념도. (가운데) 제작한 비선형 메타표면의 주사 전자현미경 이미지. (오른쪽) 두 원편광에 대한 제2 및 제3고조파 빔조향 측정결과.

이 연구에서 제안한 비선형 메타표면은 고효율 비선형 고조파 발생과 거대 비선형 원형 이색성을 동시에 유도 가능하며, 이러한 특성을 기반으로 중적외선 광원, 고효율 비선형 홀로그램, 비선형 카이랄 센싱, 비선형 빔 조향 소자, 비선형 광정보처리 소자 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

원형 이색성이란 원형 편광 방향에 따라 다른 흡수를 일으킬 때 사용되는 용어다. 좌원편광 및 우원편광은 광자에 대해 가능한 두가지 스핀 각운동량 상태를 나타내므로 원형 이색성은 스핀 각운동량에 대한 이색성이라고도 한다.

이번 연구결과는 세계적인 학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 논문명 'Giant nonlinear circular dichroism from intersubband polaritonic metasurface'로 11월 11일자로 출판됐다.

연구지원은 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 나노∙소재 기술개발 사업을 통해 이루어졌다.


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