■ 연구성과

- 가시광 영역의 편광 조절하는 초박형 필터… 광학계의 초소형화 기대

전기정보공학부 이병호 교수

공대(학장 이건우)는 전기정보공학부 이병호 교수 연구팀이 모든 가시광 영역 빛의 편광을 조절할 수 있는 수백 나노미터(nm) 두께의 ‘초박형 원편광 필터’를 개발했다고 14일 밝혔다. 이는 대략 성인 머리카락 굵기의 250분의 1에 해당하는 두께다.

빛은 전기장과 자기장이 진행방향에 대하여 수직으로 진동하며 전파되는데, 이때 전기장과 자기장이 회전하는 빛을 원편광 된 빛이라고 하며, 회전하는 방향에 따라 우회전 원편광과 좌회전 원편광으로 나뉜다.

원편광 필터는 두 원편광 중 하나의 원편광만을 통과시키는 장치로서, 3D 안경과 디스플레이 등 다양한 광학 응용시스템에 널리 이용되는 장치다. 하지만 지금까지는 하나의 원편광만 통과시키기 위해서는 좁은 파장대역에서만 동작하는 두꺼운 물질을 이용하여 필터를 제작해야 했다. 이로 인해 플렉서플-웨어러블(flexible-wearable) 디스플레이 같은 차세대 디스플레이에 적용이 어려웠다.

연구팀은 이러한 기존 원편광 필터의 동작대역을 모든 가시광 영역으로 확장하고 두께를 획기적으로 줄이기 위해 빛의 파장보다 작은 나노 구조를 배열하여 자연에 존재하지 않는 물질의 특성을 만들어내는 메타(meta) 물질을 이용했다.

연구팀이 개발한 원편광 필터는 수십 나노미터의 얇은 알루미늄 격자구조를 회전시키며 쌓는 다층 나선형 구조로 구현됐다(그림 1). 격자구조의 회전 방향과 원편광의 회전방향이 같으면 빛이 투명하게 느끼게 되며, 반대 방향으로 회전하는 빛은 이를 반사판으로 느끼게 되는 원리를 이용한 것이다. 또한 격자구조의 비공진적(non-resonant) 특성을 이용하기 때문에 모든 가시광 영역에서 동작이 가능하다.

이 기술을 이용하면 기존의 수백 마이크로미터(μm)에서 수 센티미터(cm)에 이르는 두께를 갖는 원편광 필터를 수백 나노미터의 두께로 줄일 수 있으며 대량생산에 용이한 물질과 구조로 이루어져 있기 때문에 다양한 광학계의 초소형화를 이룰 수 있을 것이라 기대된다.

이 연구는 국제 학술지인 ‘옵틱스 익스프레스(Optics Express)’에 게재되었으며, 광학분야 최고 학술지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’가 연구의 중요성에 주목하고 2017년 8월호에 리서치 하이라이트(Research Highlight)로 선정하여 소개했다.

그림 1. (a) 다층의 나노격자 구조가 나선형으로 쌓여있는 초박형 광대역 원편광 필터의 개념도

(b) 제작된 원편광 필터 절삭 단면의 SEM 이미지와 확대 이미지(삽도)

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