지스트, 투명망토처럼 물체를  

빛으로부터 감출 수 있는 물질 개발  

- 스텔스기술, 전자기파 차폐기술, 고감도광센서 등에 활용 기대 

□ 지스트(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): 디렉콘(Dirac cone)혹은 디렉분산물질은 전자의 에너지와 파장의 관계가 원뿔 두 개로 이루어진 모래시계 구조의 물질로 대표적인 물질이 그래핀(graphene)이다. 이와 유사하게 굴절율이 주기적으로 변하는 구조물에서 빛의 주파수와 파장의 관계가 일직선인 두 모드가 만나게 되는데 이 점을 디렉점(Dirac point)이라 부른다. 디렉점 모드의 유효굴절률이 거의 영에 가까워 빛의 투명망토현상과 같이 자연적으로는 불가능한 빛의 전파현상을 보인다.

∘ 연구팀은 광결정*의 퓨리에-조화성분**들과 광결정모드들의 방사손실간의 관계를 이해하고 특정 퓨리에-조화성분들을 조작하여 광디렉분산특성을 갖는 광결정을 구현하는 이론적 방법을 제시하였다.

* 광결정: 굴절율이 주기적으로 변하는 구조물로 특정주파수영역에서 빛을 강하게 반사함

** 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 연속준위속박상태*와 파노공명**과 밀접한 관련이 있음을 수치해석적으로 증명했다. 이 결과를 바탕으로 특정 퓨리에-조화성분들을 조작하여 디렉분산특성, 연속준위속박상태, 파노공명 등도 고주파수영역에서 구현하였다.

* 연속준위속박상태(bound state in the continuum, BIC): 속박에너지보다 큰 연속준위에너지를 갖는 전자가 공간적으로는 속박된 양자역학적상태로 최근 광결정에서 빛(광자)을 영원히 가두는 상태로 발견됨

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

□ 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.

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