빛의 방향에 따라 작동하는 야누스형 메타표면 기술 개발

메타서페이스 기술은 기존 기술에 비해 더 얇고 가벼우며 나노미터 크기의 인공 구조물을 통해 빛을 정밀하게 제어할 수 있는 첨단 광학 기술입니다. KAIST 연구진은 기존 메타서페이스 기술의 한계를 극복하고 비대칭 광 투과를 완벽하게 제어할 수 있는 Janus 메타서페이스를 성공적으로 설계했습니다. 이 기술을 적용하여 특정 조건에서만 정보를 디코딩하여 보안을 크게 강화하는 혁신적인 방법도 제안했습니다.

KAIST(총장 이광형)는 재료공학과 신종화 교수가 이끄는 연구팀이 비대칭적 빛의 투과를 완벽하게 제어할 수 있는 야누스 메타표면을 개발했다고 15일 밝혔습니다.

방향에 따라 다르게 반응하는 비대칭적 특성은 다양한 과학 및 공학 분야에서 중요한 역할을 합니다. 연구팀이 개발한 Janus 메타표면은 양방향으로 다른 기능을 수행할 수 있는 광학 시스템을 구현합니다.

두 얼굴을 가진 로마의 신 야누스처럼, 이 메타표면은 들어오는 빛의 방향에 따라 완전히 다른 광학적 반응을 보여, 하나의 장치로 두 개의 독립적인 광학 시스템을 효과적으로 작동시킵니다(예를 들어, 한 방향으로는 확대 렌즈 역할을 하고 다른 방향으로는 편광 카메라 역할을 하는 메타표면). 다시 말해, 이 기술을 사용하면 빛의 방향에 따라 두 개의 다른 광학 시스템(예: 렌즈와 홀로그램)을 작동시킬 수 있습니다.

이 업적은 기존 메타서피스 기술이 해결하지 못했던 과제를 해결합니다. 기존 메타서피스 기술은 입사 방향에 따라 빛의 세 가지 속성(강도, 위상, 편광)을 선택적으로 제어하는 ​​데 한계가 있었습니다.

연구팀은 수학적, 물리적 원리에 기반한 솔루션을 제안했고, 양방향으로 다른 벡터 홀로그램을 실험적으로 구현하는 데 성공했습니다. 이 성과를 통해 완전한 비대칭 광 투과 제어 기술을 선보였습니다.

또한 연구팀은 이 메타서피스 기술을 기반으로 새로운 광학 암호화 기술을 개발했습니다. Janus 메타서피스를 사용하여 들어오는 빛의 방향과 편광 상태에 따라 다른 이미지를 생성하는 벡터 홀로그램을 구현하여 특정 조건에서만 정보를 디코딩할 수 있도록 하여 보안을 크게 강화하는 광학 암호화 시스템을 선보였습니다.

이 기술은 양자 통신 및 안전한 데이터 전송 등 다양한 분야에 적용 가능한 차세대 보안 솔루션으로 기대됩니다.

또한 메타표면의 초박형 구조는 기존 광학 소자의 부피와 무게를 크게 줄여 차세대 소자의 소형화, 경량화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

KAIST 신소재공학과 신종화 교수는 "이번 연구를 통해 광학 분야에서 오랜 난제였던 빛의 세기, 위상, 편광의 완전한 비대칭 투과 제어가 가능해졌다. 다양한 응용 광학 소자 개발의 가능성을 열었다"며 "메타표면 기술의 잠재력을 최대한 활용해 증강현실(AR), 홀로그램 디스플레이, 자율주행차용 LiDAR 시스템 등 다양한 분야에 응용 가능한 광학 소자를 계속 개발할 계획"이라고 덧붙였습니다.

본 연구는 KAIST 재료공학과 박사과정 김현희와 정준교가 공동 1저자로 참여하였으며, 국제학술지 Advanced Materials에 온라인으로 게재되었으며, 10월 31일자로 게재될 예정입니다. (논문 제목: "Bi-Layer Metasurfaces를 이용한 Bidirectional Vectorial Holography and Its Application to Optical Encryption")

본 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241016120315.htm