빛의 파장을 이용해 물질의 성분을 분석하는 분광기술에 사용되는 분광장치는 의료, 화학분석, 태양전지, 환경감지센서 등의 다양한 영역에 적용할 수 있어 활용도가 매우 높은 광학장치 중 하나이다. 그러나 일반적인 스펙트럼 분석 장치에 사용되는 프리즘이나 회절격자와 같은 기존의 분광소자는 크기가 크기 때문에 소형화에 어려움이 있었다. 또한, 가시광 대역부터 근적외선 대역에 이르는 넓은 파장 대역에 걸쳐 빛을 고르게 분광시키지 못하기 때문에 넓은 파장에 걸쳐 일정 수준 이상의 효율이 유지되는 광대역의 분광소자를 구현하는 데 한계가 있었던 것이 사실이다.
4차 산업혁명 시대에 사물인터넷 (Internet of Things, IoT), 스마트센서 등에 대한 관심이 많아지면서 센서나 디바이스들을 소형화하고자 하는 노력이 지속적으로 있어 왔다. 최근, 전자기장의 제어가 가능한 메타표면이라는 개념의 나노 소자 기술이 도입되면서 다양한 종류의 광학 소자를 나노스케일의 매우 작은 크기로 구현할 수 있는 기술로서 전세계의 많은 대학과 기관에서 다양한 연구가 진행 되고 있다.
이번 연구를 주도한 이상신 교수의 설명에 따르면 매우 작지만 스마트한 나노스케일의 초소형 소자를 통해, 앞서 언급된 문제를 해결할 수 있는 실마리를 얻어 새로운 형태의 초소형 분광소자를 개발할 수 있었다고 한다. 연구팀은 메타표면 기술을 이용하여 각 파장에 따른 전자기장의 성질을 제어함으로써, 가시광 대역부터 근적외선 대역에 이르는 광대역 (400~1500 nm) 에 걸쳐 높은 효율이 고르게 유지되는 분광소자를 개발하였다. 개발된 메타표면은 사다리꼴 모양의 알루미늄 나노 안테나 한 쌍을 수직으로 쌓아 만들어졌으며, 그 두께가 수백 나노미터 밖에 되지 않고, 기존의 반도체 공정을 통해 쉽게 제작이 가능하다.
나노 소자 및 메타표면 기술을 접목하여 단일 소자를 통해 넓은 대역에 걸쳐 동작하는 초소형 분광장치의 개발은 새로운 접근법을 통한 획기적인 연구성과로 그 의미가 크다고 할 수 있다. 이번 개발을 통해 분광소자의 소형화에 성공함으로써 향후 다양한 광학 방식의 센서나 분광장치 등의 소형·경량화에 크게 기여할 수 있게 되었다.
이번 연구는 미래창조과학부가 주관하는 한국연구재단 선도연구센터(ERC) 지원사업과 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 그 성과를 인정받아 영국 왕립화학회 (Royal Society of Chemistry) 에서 발간하는 국제 전문학술지인 나노스케일 (Nanoscale, IF=7.233) 온라인판에 게재가 확정되어 지난 7월 9일에 최종 게재되었다.
한편, 이상신 교수가 소장으로 있는 광운대학교 나노 소자 응용 연구소는 교육부와 한국연구재단에서 주관하는 2018년 이공분야 대학중점연구소 지원사업에 최종 선정되어, 메타표면과 같은 나노 소자를 이용한 차세대 디바이스 및 ICT 응용에 대한 연구를 수행하며, 관련 분야의 전문인력을 지속적으로 양성할 계획이다. 김광태기자 ktkim@dt.co.kr
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