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빛의 속도 조절하는 메타물질 제작 성공…기초과학硏

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 | 2018-05-15 12:00 송고
연구진이 개발한 빛의 속도 조절이 가능한 소자 구조도(기초과학연구원 제공)© News1

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 김튼튼 연구교수팀이 메타물질과 그래핀을 접합해 빛의 속도를 느리게 했다가 다시 빠르게 만드는 소자를 만들었다고 15일 밝혔다.

세상에서 가장 빠른 속도를 가진 물질은 빛이다. 정보를 전달하는데 빛보다 더 유용한 물질은 없다.

그러나 빛을 정보로 처리하려면 빛을 전기신호로 전환하는 과정이 동반돼야 한다. 이 때 신호를 처리하는 전자소자의 한계와 발열 문제 때문에 정보 처리 속도가 느려지고, 병목 현상이 나타난다. 때문에 전력 비용도 많이 발생한다.

빛의 속도를 느리게 하는 건 운전 시 브레이크를 밟는 것과 비슷하다. 빛이 전기신호로 바뀔 때 전자소자의 신호 처리 속도 한계 때문에 빛의 속도가 느려져야만 원활한 정보 처리가 가능하다.

이에 연구팀은 물리적 현상인 전자기 유도 투과 현상을 중심으로 이번 연구를 설계했다. 물질의 굴절 변화율이 커지면서 빛의 속도가 느려지는 원리다.

전자기 유도 투과란 강한 빛(A)을 물질에 쏴 물질의 굴절률 상태가 변할 때, 다른 빛인 제어빛(B)을 같은 방향으로 쏘아주면 그 빛이 물질에 흡수돼 버리는 바람에 투과할 수 없던 빛(A)이 오히려 물질을 바로 통과해버리는 현상을 말한다.

전자기 유도 투과(기초과학연구원 제공)© News1

연구팀은 전자기 유도 투과 현상을 구현하기 위해 메타물질을 설계, 소자를 제작했다. 인공 원자로 이뤄진 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현할 수 있다.

연구팀은 금으로 만들어진 뚫린 고리형 구조와 막대 구조의 인공 원자를 고분자 형태의 기판에 두 층으로 나눠 메타물질을 설계했다. 두 구조 사이의 위치를 조절해 물질의 굴절률을 급격히 변화시키자 빛의 속도가 느려졌다.

이렇게 만들어진 소자는 수십 마이크로미터의 매우 얇은 두께에도 상온에서도 작동하며 강한 세기의 제어빛이 없어도 전자기 유도 투과와 유사한 현상이 나타난다. 

연구팀은 느려진 빛을 다시 빠르게 제어할 수 있는 방법도 구현했다. 이를 통해 그래핀을 메타물질과 이온젤 사이에 껴 넣고 전압을 걸자 물질의 굴절률이 변화하는 것을 확인했다. 그래핀에 걸어주는 전압의 세기가 커질수록 메타물질의 특성이 약화되며 급격히 변했던 물질의 굴절률이 완만해지고, 빛의 속도가 다시 빨라지는 것이다.

연구팀이 구현한 소자는 메타물질로 빛의 속도를 느리게 만들었다가 느려진 빛을 그래핀으로 빠르게 바꿀 수 있다. 한 번 제작된 후 정해진 속도만큼만 빛을 느리게 할 수 있었던 기존 메타물질과 비교하면 훨씬 능동적이고 효과적으로 빛의 속도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 이번 연구에서 빛의 속도를 능동적으로 조절할 수 있음을 실험으로 증명했다.

김튼튼 연구 교수는 “이번 연구에서 구현한 소자는 테라헤르츠 주파수를 갖는 빛(테라파)을 이용하도록 제작됐다”며 “효과적으로 빛의 속도를 제어할 수 있어 낮은 에너지로도 구동되는 소자 개발 또는 능동형 초고속 광 아날로그 디지털 변환기 등과 같은 광통신 발전 기술에 응용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 성과는 미국 화학회지가 발행하는 광학분야 전문학술지 ‘ACS 포토닉스(ACS Photonics)'에 오는 16일 실린다.


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