【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 김민경 박사·통합과정 양영환 씨연구팀이 연세대 미래캠퍼스 의공학부 이다솔 교수와 함께 근적외선 영역대에서 효율이 높은 광스핀홀 효과를 처음으로 구현, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 발표했다고 4일 밝혔다.

▲ 이동량이 크고 효율이 높은 광스핀홀 효과와 이를 위한 메타표면 모식도  © 포스텍

빛이 경계면에서 투과하거나 반사하면 두 갈래로 갈라지는데, 광스핀홀 효과를 증가시키고자 할수록 투과하거나 반사하는 빛의 세기가 약해지며 효율이 낮아졌다.

효율을 높이고자 하는 연구가 진행된 바 있으나 3차원의 복잡한 형상이 필요한 데다가 이를 제작할 수 있는 공정이 없었다. 작동 영역도 파장이 비교적 긴 마이크로웨이브 영역으로 한정돼 있었다.

연구팀은 빛의 경로를 자유자재로 바꿀 수 있는 메타표면으로 파장이 800나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m)인 근적외선 영역에서 광스핀홀 효과를 구현했다. 수소화된 비정질 저손실 실리콘 재료로 만들어진 이 메타표면은 단층 구조로 크기가 작지만, 빛의 큰 변화를 유도한다.

그 결과, 빛의 이동량이 파장의 10배를 넘으면서도 효율이 70% 이상에 달하는 광스핀홀 효과를 확인했다. 앞서 노준석 교수가 2013년 최상위 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 발표했던 광스핀홀 효과의 효율이 1%였던 것에 비해 70배가 높아진 결과다.

고효율 광스핀홀 효과에 관한 기존 연구보다 작동 파장대를 1만분의 1 크기로 줄임으로써 초소형 광학 소자로 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 단층 구조의 메타표면으로 초소형 고효율 광소자에의 응용 가능성을 더욱 높였다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 세종과학펠로우십, 교육부 박사과정생연구장려금지원사업과 포스코 산학연 융합연구소의 지원을 받아 이뤄졌다. 

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 Professor Junseok Noh's team at POSTECH realizes the most efficient optical spinhole effect in the near-infrared region

 POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-hwan) is a research team led by Professor Noh Jun-seok of the Department of Mechanical Engineering and Chemical Engineering, Min-kyung Kim of the Department of Mechanical Engineering, and Young-hwan Yang of the integrated course, along with Professor Dasol Lee of the Department of Biomedical Engineering, Yonsei University Future Campus, to develop the highly efficient optical spinhole effect in the near-infrared range. It was announced on the 4th that it was implemented for the first time and was recently published in the international academic journal 'Nature Communications'.

  When light is transmitted or reflected at the interface, it is split into two branches. As the optical spinhole effect is increased, the intensity of transmitted or reflected light is weakened and the efficiency is lowered.

  There have been studies to increase the efficiency, but there was no process to manufacture it, as it required a complex three-dimensional shape. The operating area was also limited to the microwave region with a relatively long wavelength.

  The research team implemented the optical spinhole effect in the near-infrared region with a wavelength of 800 nanometers (nm, 1 nm = 1 billionth of a meter) as a metasurface that can freely change the path of light. Made of a hydrogenated amorphous low-loss silicon material, this metasurface is a single-layer structure, small in size, but induces large changes in light.

  As a result, the optical spin-hole effect was confirmed with an efficiency of more than 70% while the amount of movement of light exceeds 10 times the wavelength. This is the result of a 70-fold increase compared to the 1% efficiency of the optical spinhole effect that Professor Noh Jun-seok previously published in the top international academic journal ‘Science’ in 2013.

  It is expected that it can be applied as an ultra-small optical device by reducing the operating wavelength band to 1/10,000 of the size of the existing research on the high-efficiency optical spinhole effect. The single-layer structure of the meta-surface further increases the possibility of application to ultra-small and high-efficiency optical devices.

  Meanwhile, this research was carried out with support from the Ministry of Science and Technology Information and Communication's Mid-level Researcher Support Project, the Sejong Science Fellowship, the Ministry of Education's Ph.D.