차원 메타물질 표면을 가공할 수 있는 새로운 방법

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-19

펜실베이니아 주립 대학(penn state university)의 연구진은 금속 나노구조의 단일 층을 빛을 이용해서 특성을 조절할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 주기적 어레이로 구성된 표면은 엡립소미터(ellipsometer), 단백질의 생체감지, 위성 통신 등과 같은 다양한 과학적 장치의 특성을 향상시키는데 매우 유용하게 적용될 수 있다. 파장 이하의 나노공진기 어레이로 구성된 준-2차원 메타표면들은 매우 얇은 평면 형상 속으로 빛의 특성들을 매우 변환시킬 수 있다. 이것은 변칙적인 반사 및 굴절, 편광 필터링, 파면 조절(wavefront modulation)과 같은 새로운 광학적 기능들에 사용될 수 있다. 그러나 이전 메타표면 기반의 나노구조는 낮은 효율, 좁은 밴드갭, 제한적인 시야 등으로 어려움을 겪고 있다. 이번 연구진은 새로운 플라즈몬 메타표면 기반의 나노구조를 개발했는데, 이것은 이런 문제점들을 해결할 수 있었다. “우리는 빛의 편광 상태를 변환시킬 수 있는 파장을 디자인하고 제조했다”고 Zhi Hao Jiang은 말했다. 이 연구결과는 저널 Scientific Reports에 게재되었다. “편광은 빛의 가장 기초적인 특성 중 하나이다. 예를 들어, 우리가 선형으로 편광된 빛을 원형으로 편광된 빛으로 변환시킬 수 있다면, 광 통신과 바이오센서 등에 유용하게 적용될 수 있을 것”이라고 Zhi Hao Jiang은 덧붙였다.   광대역 편광 변환을 가진 광학적 파장판(waveplate)은 많은 관심을 끌고 있다. 석영과 같은 재료의 다층 적층으로 만들어진 기존의 파장판은 광대역이고 광각(wide-angle) 변환을 달성하기가 어렵다. 매우 얇은 파장판이 증명되었지만, 50% 이하의 평균 전력 효율을 가지기 때문에 그들의 효율은 낮다. 이번 연구팀의 나노제조된 파장판은 약 40도의 광시야각(wide field of view)을 가진 옥타브 대역폭보다 92% 더 높은 편광 전환율을 달성했다. “이 연구에서, 우리는 석영-파장판 및 반파장판(half-waveplate) 메타표면을 실험과 시뮬레이션으로 증명했다. 메타표면은 근적외선과 가시광선 스펙트럼에서 작동하는 매우 얇은 인공 표면”이라고 Jeremy Bossard가 말했다. “이것은 광시야각을 가지고, 당신이 광범위한 각도로 표면을 조명했을 때, 동일한 반사 성능을 가질 수 있다는 것을 의미한다”고 Bossard가 덧붙였다.  광학적 장치 속의 구성요소로서, 나노구조로 된 파장판은 우주공간에서 적용하기 위한 더 적은 무게와 더 얇은 파형률(form factor)을 제공하는데, 이것은 시스템 속의 광학적 구성요소의 수를 감소시킬 수 있고 근적외선 파장 범위에서 가시광선의 초광대역 기능성을 달성할 수 있다. 이것은 광학적 메타-표면 기반의 장치들을 위한 최첨단 장치이고, 다른 유형의 매우 얇은 고효율적인 광학적 구성요소에 적용할 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Scientific Reports에 “Broadband and Wide Field-of-view Plasmonic Metasurface-enabled Waveplates”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/srep07511). 그림. (왼쪽) 원형 편광은 메타표면 기반의 1/4 파장판에 반사되어서 선형 편광 파장으로 변환된다. (오른쪽) 나노막대 어레이를 보여주는 나노구조의 FESEM 이미지(하부 스케이바 – 400 nm, 상부 스케일 바- 100 nm). noname015.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38692.php