사이언스타임즈 영화에서 등장할 법한 투명망토 개발되나?

[Dr. Park]

스텔스 기술, 전자기파 차폐 기술, 고감도광센서 등에 활용 기대

GIST(광주과학기술원) 고등광기술연구소의 기철식 수석연구원 연구팀은 투명망토처럼 빛으로부터 물체를 감추거나 입사하는 빛의 위상정보를 완전히 제거해 복원할 수 없게 하는 광디렉분산물질(Photonic Dirac dispersion material)을 개발했다.

광디렉분산물질(Photonic Dirac dispersion materials)이란 전자의 에너지와 파장의 관계가 원뿔 두 개로 이루어진 모래시계 구조의 물질로, 대표적인 물질이 바로 그래핀(graphene)이다. 광디렉분산물질은 유효굴절률이 거의 영에 가까워 빛의 투명망토현상과 같이 자연적으로는 불가능한 빛의 전파현상을 보인다.

투명망토를 구현하고자 하는 노력은 과거부터 이어져왔다. 국내에서는 지난 2020년 1월, 서울대 박남규 교수 연구팀이 음향 파동 물성을 자유자재로 구현해 빛과 소리를 반사할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 개발했으며, 캐나다의 한 업체는 빛의 굴절율을 이용한 ‘스텔스 시트’를 개발하기도 했다.

캐나다 위장복 제조업체의 스텔스 시트 ⓒHyperstealth Biotechnology

연구팀은 특정 주파수에서 빛을 강하게 반사하는 광결정의 퓨리에-조화성분*들과 광결정모드들의 방사손실간의 관계를 이해하고 특정 퓨리에-조화성분들을 조작하여 광디렉분산특성을 갖는 광결정을 구현하는 이론적 방법을 제시했다.

*퓨리에-조화성분(Fourier-harmonic components): 주기적인 구조의 주기에 해당하는 주파수의 배수들

기존의 광결정을 이용한 디렉분산특성연구는 주로 광결정의 주기보다 파장이 긴 낮은 주파수영역에서 수행되었으며 주기와 비슷한 파장의 고주파수영역에서는 보고된 바 없었다. 광결정의 고차 퓨리에-조화성분들간의 상호간섭이 방사손실을 유도해 고주파수영역에서 디렉분산특성 구현을 저해하기 때문이다.

연구팀은 광결정의 퓨리에-조화성분들과 광결정 모드들의 방사손실간의 관계를 이론적으로 연구해 왔으며, 이번 연구를 통해 고차 퓨리에-조화성분들간의 상호작용이 디렉분산특성 뿐만 아니라 연속준위속박상태와 파노공명*과 밀접한 관련이 있음을 수치해석적으로 증명했다. 연속준위속박상태(bound state in the continuum, BIC)란, 속박에너지보다 큰 연속준위에너지를 갖는 전자가 공간적으로는 속박된 양자역학적상태로 최근 광결정에서 빛을 영원히 가두는 상태로 발견된다.

*파노공명(Fano resonance): 방사모드와 속박모드의 상호간섭에 의한 공명으로 아주 좁은 주파수영역에서 비대칭투과스펙트럼이 특징

(a) 고주파수영역에서의 연속상태속박모드(BIC)와 파노공명모드(leaky). (b) 입사각에 따른 파노공명의 투과스펙트럼. (c) 디렉분산특성 ⓒGIST

연구팀은 이 결과를 바탕으로 특정 퓨리에-조화성분들을 조작하여 디렉분산특성, 연속준위속박상태, 파노공명 등도 고주파수영역에서 구현했다.

이성구 박사후 연구원과 기철식 수석연구원은 “이번 연구는 퓨리에-조화성분들과 광결정모드들의 방사손실간의 연관성을 이해하고 그동안 보고되지 않았던 고주파수영역에서 디렉분산특성, 연속준위속박상태, 파노공명 등을 구현하는 방법을 제시한 데 의의가 있다”면서 “향후 스텔스기술, 전자기파 차폐기술, 고효율 비선형소자, 고감도광센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

GIST 고등광기술연구소의 이성구 박사, 김성한 박사, 기철식 수석연구원이 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, GIST 연구원(GRI)의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘포토닉스 리서치(Photonics Research)’에 2021년 5월 27일자 온라인으로 게재되었다.