연구성과

기계‧화공 노준석 교수팀, ‘하한선 없는 메타물질’ 광컴퓨터 구현 앞당긴다

2019-10-14 332

[넓은 주파수에서 위상학적 표면파 갖는 새로운 물질 제시]

빛의 속도로 빠른 컴퓨터가 가능할까? 미래형 컴퓨터라 불리는 광컴퓨터는 빛의 특성을 이용하여 논리·연산을 하는 초고속·초대용량의 컴퓨터를 말한다. 정보, 이미지 등을 빛으로 처리하기 위해서는 광학 소자를 동일 기판 위에 집적한 광집적회로가 필요하다. 최근 국내 한 연구팀이 빛의 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 메타물질을 이용하여 광파의 경로를 제어하는 기술을 제시했다. 이 기술은 광집적회로에 응용할 수 있어 광학컴퓨터의 실현이 앞당겨질 것으로 보인다.

기계공학과‧화학공학과 노준석 교수‧박사과정 김민경씨 팀이 하한 없이 넓은 광대역 주파수에서 작동하는 위상학적*1 메타물질을 제시했다. 이 연구 성과는 광학 및 물리 분야 학술지인 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼스((Advanced Optical Materials)’와 ‘피지컬 리뷰 B(Physical Review B)’에 게재됐다.

메타물질은 빛의 파장보다 작은 단위의 구조체로 이뤄져 특이한 광특성을 나타내도록 디자인된 물질이다. 빛은 샘플의 표면상태에 따라 쉽게 산란이 되어 손실이 큰데, 위상학적 메타물질을 통하면 샘플의 표면상태와 관계없이 빛이 산란 되지 않고 한 방향으로 흐르게 된다. 이러한 표면파를 위상학적 표면파라고 하는데 지금까지는 작동하는 주파수 대역이 상한·하한을 동시에 가지는 것으로 나타났다.

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

또한, 메타물질의 대표적인 장점은 광밴드구조*2를 조절할 수 있다는 것인데, 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 기존연구와 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 가능해 눈길을 끌고 있다.

노준석 교수는 “본 연구는 하한 없이 넓은 주파수 영역에서 위상학적 표면파를 갖는 메타물질을 제시하여 광컴퓨터의 핵심인 광집적회로를 구현하는 데 응용할 수 있을 것으로 보인다”며 “위상학적 면을 가지는 광학 메타물질 연구는 이번 연구가 처음으로 1차원 이상의 위상 물질에 관한 새로운 연구 분야를 개척했다”며 의미를 설명했다.

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


1. 위상학(Topology)
위상학은 연속적인 변형에도 변하지 않는 물체의 특성을 연구하는 분야이다.

2. 광밴드구조(Photonic Band Structure)
빛의 운동량에 따른 에너지와의 관계를 나타내는 구조