울산과학기술원(UNIST)은 빛의 파장과 세기를 서로 독립적으로 제어할 수 있는 초소형 메타표면 소자를 세계 최초로 개발했다고 16일 밝혔다.

이종원 전기전자공학과 교수 연구팀이 개발한 이 소자는 모래알 크기로, 실시간 제어가 필요한 양자 얽힘 광원이나 소형 광신호 처리 장치 제작에 활용될 전망이다.

메타표면은 빛 파장보다 훨씬 작은 나노 구조물을 배열해 자연계에 없는 방식으로 빛의 광학 성질을 조절하는 인공 소자다. 부피가 큰 기존 광변조 매질을 대체해 기기 경량화가 가능하고, 기존 기술로 불가능한 광학 현상도 구현할 수 있다.

이번 연구에서는 제2고조파 생성(SHG) 기술을 활용했다. 이 기술은 입력 빛의 에너지를 2배로 증폭해 파장이 절반인 빛으로 변환하는 원리로, 생체 분자 감지 센서나 양자 통신 기술 개발에 응용된다. 예컨대 적외선을 입력하면 다른 파장의 빛으로 변환돼 출력된다.

그러나 기존 기술은 파장과 세기가 서로 얽혀 있어 한계가 있었다. 세기를 높이면 파장 조절 범위가 좁아지고, 파장 제어 범위를 넓히면 효율이 떨어지는 상충 관계였다.

연구팀은 빛 처리 과정을 입구와 출구로 분리하는 설계 전략으로 이 문제를 해결했다. 빛이 칩에 들어와 에너지가 모이는 생성 과정과 변환 후 밖으로 나가는 방출 과정을 다른 제어 방식이 담당하도록 한 것이다. 이를 로컬-투-논로컬 방식이라 명명했다.

이 메타표면 칩은 2가지 독립 제어가 가능하다. 칩에 흐르는 전압을 조절하면 파장 변화 없이 세기만 변한다. 빛의 입사각을 조절하면 세기는 유지되면서 파장만 바뀐다.

실험에서 입사각을 조절하자 출력 빛의 파장이 연속적으로 변했고, 특정 파장을 고정하고 전기 신호만 바꾸자 세기만 달라지는 것으로 확인됐다.

이종원 교수는 "기존 연구가 빛을 가두거나 흐르게 하는 한 가지 방식에만 의존했다면, 이번 기술은 두 방식을 결합해 소자 설계를 자유롭게 만들고 효율과 조절 능력의 딜레마를 해결했다"고 설명했다.

이 교수는 "양자 정보 실시간 제어나 양자 통신의 핵심인 얽힘 광자의 파장 스펙트럼을 자유자재로 조절하는 등 차세대 능동형 양자 광원 기술 완성에 기여할 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 지난달 29일 게재됐으며 정보통신기획평가원과 한국연구재단의 지원을 받았다.