포스텍 기계공학과‧화학공학과 노준석 교수‧박사과정 김민경씨 팀이 하한 없이 넓은 광대역 주파수에서 작동하는 위상학(연속적인 변형에도 변하지 않는 물체 특성을 연구하는 분야)적 메타물질을 제시했다.

이 연구 성과는 광학·물리 분야 학술지인 '어드밴스드 옵티컬 머터리얼스((Advanced Optical Materials)'와 '피지컬 리뷰 B(Physical Review B)'에 게재됐다.

연구팀에 따르면 메타물질은 빛의 파장보다 작은 단위의 구조체로 이뤄져 특이한 광특성을 나타내도록 디자인된 물질이다.

빛은 샘플 표면상태에 따라 쉽게 산란이 돼 손실이 크지만 위상학적 메타물질을 통하면 샘플 표면상태와 관계없이 빛이 산란 되지 않고 한 방향으로 흐르게 된다.

이런 표면파를 위상학적 표면파라고 한다.

지금까지는 작동하는 주파수 대역이 상한·하한을 동시에 가지는 것으로 나타났다.

이번 연구에서는 하한 없이 특정 주파수 이하의 모든 주파수에서 작동되는 메타물질을 디자인해 위상학적 표면파의 작동영역을 넓혔다.

메타물질의 대표적인 장점은 광밴드구조(빛의 운동량에 따른 에너지와의 관계를 나타내는 구조)를 조절할 수 있다는 것.

이 특성을 활용하면 위상학적으로 다른 광밴드가 '점(Nodal point)'이 아닌 '면(Nodal Surface)'에서 만날 수 있음을 확인했다.

이와 같이 위상학적 면을 가진 광학적 물질이 제시된 것은 이번 연구가 처음이다.

구조체의 크기나 간격 또는 격자 모양 등 세부 디자인에 따라 위상학적 특정을 가지기도 하고 잃어버리기도 했던 기존 연구와 비교하면 세부 디자인에 관계없이 특성을 유지한다는 것이 특징이다.

이처럼 작동 주파수가 넓은 메타물질의 위상학적 안정성을 활용하면 빛을 특정 방향으로 인도하는 웨이브 가이드(Wave Guide), 소형화되고 안정화된 광집적회로 등에 응용이 가능하다.

노준석 교수는 "이번 연구는 광컴퓨터의 핵심인 광집적회로를 구현하는 데 응용할 수 있을 것으로 보인다"며 "1차원 이상의 위상 물질에 관한 새로운 연구 분야를 개척했다"고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구사업, 글로벌프론티어사업, 미래소재디스커버리사업, 선도연구센터사업(ERC), 글로벌박사양성사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

포항=성민규 기자 smg511@hanmail.net