이 기술은 복잡한 3차원 구조 없이도 구현 가능해, 차세대 디스플레이, 의료 진단 센서, 양자광학 소자 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 소속 노준석 교수 연구팀은 ‘광결정(Photonic Crystal)’ 기반 메타표면 구조에 주목했다.

이는 빛보다 작은 구멍들이 규칙적으로 배열된 평면 판 구조로, 빛이 통과할 때 특정 파장에서 공명 현상이 발생한다.

연구팀은 여기에 ‘이중 비대칭 섭동’을 설계에 도입해, 좌·우 원편광이 각각 다른 공간에서 독립적으로 공명하도록 만들었다.

이는 마치 두 개의 라디오 주파수를 완전히 분리하듯, 편광 간 간섭 없이 선택적으로 반응하도록 하는 방식이다.

또한, ‘브릴루앙 존 폴딩(Brillouin zone folding)’이라는 물리학적 기법을 적용해 기존에는 외부에서 관측할 수 없었던 빛의 속박 상태를 자유공간으로 방출하는 데도 성공했다.

이를 통해 좌·우 원편광을 100도 이상 분리된 각도로 완전히 구분할 수 있었다.

연구팀은 이 기술의 응용 가능성도 실험으로 입증했다. 2차원 반도체 물질과 결합해 서로 다른 방향으로 빛을 방출하는 ‘공간 분리형 발광’ 현상을 구현한 것이다.

이는 편광 상태를 정밀하게 제어할 수 있다는 것을 보여주는 중요한 결과다. 구조의 비대칭 강도를 조절함으로써 공명 품질인자(Q-factor)도 정량적으로 제어할 수 있음을 확인했다.

복잡한 가공 없이도 원하는 광학 성능을 구현할 수 있다는 점에서 기술적 효율성과 확장성 모두를 갖췄다.

노 교수는 “기존에는 고정밀 3차원 가공이 필요하다고 여겨졌던 공명 품질 조절이 단순한 평면 구조 설계만으로 가능해졌다는 점에서, 이번 연구는 기술적 차별성과 응용 가능성을 동시에 확보했다”고 설명했다.

이어 “이 기술은 편광 기반 광원 제어, 고감도 바이오센서, 양자광학 소자 등 다양한 광기반 응용 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 노 교수와 정민수(기계공학과 통합과정), 이지해(화학공학과 통합과정) 씨가 공동으로 수행했으며, 연구 결과는 국제 학술지 사이언스 어드밴시스에 게재됐다.

POSCO홀딩스의 N.EX.T Impact 사업, 과학기술정보통신부, 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다.