한국나노기술원, 위상학적 빛 제어 기술 세계 최초 실험 증명

한국나노기술원(원장 직무대행 박노재)은 윤재웅 한양대 물리학과 교수 연구팀과 위상학적 물리 효과를 기반으로 빛의 방사 분포를 정밀하게 제어하는 기술을 세계 최초로 실험 증명했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 박막 나노 구조에 갇힌 빛의 양자 상태를 모사하는 '위상학적 빔 성형 기술'을 구현해 빛의 방사 형태를 원하는 대로 정밀하게 제어할 수 있는 기반을 마련했다. 기술은 양자·광 반도체 상용화와 양자정보 전달 기술 발전을 앞당길 것으로 기대된다.

기존 빔 성형 기술은 다중산란으로 인한 복잡한 방사 패턴 문제를 해결하지 못해 최적화 알고리즘에 의존해 왔다. 이번에 개발한 위상학적 빔 성형 기술은 최적화 알고리즘 없이도 결정론적으로 방사 패턴 설계를 가능하게 했다.

연구팀은 석영유리 기판 위에 질화규소 유전체 메타표면을 제작하고, 유전체 박막 나노구조의 공간적 분포를 정밀히 조절해 위상학적 광자 상태를 국소적으로 제어하는 접합 구조를 구현했다. 이를 통해 평탄한 빔 분포를 단순한 규칙으로 구현하며 가시광 파장 범위를 넘어서는 빛 제어 가능성을 입증했다.

연구는 광 트랜지스터, 통신 반도체 등 고속 신호 처리 소자의 개발뿐만 아니라 우주 및 국방 기술에도 중요한 기여를 할 것으로 보인다. 또 고효율 광학 필터와 센서 개발로 양자광원 및 양자통신 시스템 안정성과 신뢰성을 높이는 데 이바지할 것으로 기대된다.

장민철 기술원 공정기술실장은 “이번 연구는 위상학적 매개변수 분포를 조절해 다양한 빔 형태를 만들 수 있음을 실험적으로 증명한 것”이라며 “나노광학 분야에서 새로운 설계 패러다임을 제시했다”고 강조했다.

윤재웅 교수는 “연구 성과는 미래 광학 소자와 통신 시스템에서 다양한 응용 분야로 확장될 가능성을 열었다”며 “향후 복잡한 빔 형태 구현 및 실용화를 위한 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 광학 분야 최고 권위 국제 학술지 '라이트: 사이언스 앤 애플리케이션(Light: Science & Applications)'에 지난달 게재됐다.

수원=김동성 기자 estar@etnews.com