동전 크기 분광기로 빛의 색과 회전 방향 알아내는 분광기 개발
휴대형 진단기기·환경 센서 등 다양한 분야로의 응용 기대

포스텍은 노준석 교수 연구팀이 기존 분광기보다 훨씬 더 작으면서도 빛의 색(파장)과 회전 방향(편광)을 동시에 측정할 수 있는 세계 최초의 메타렌즈형 초소형 분광기를 개발했다고 15일 밝혔다.

 

▲ 포스텍 노준석 교수. [포스텍 제공]

 

이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다.

 

빛 속에는 많은 정보가 담겨 있는데 분광기는 이 빛을 분석해 물질의 성분이나 상태를 알아내는 도구다. 병원의 혈액 검사, 공기나 물의 오염 측정 등 다양한 분야에서 활용되고 있으나 지금까지의 분광기는 크기가 크고 복잡한 장비가 필요했다.

 

특히 빛의 색뿐만 아니라 회전 방향(편광)까지 동시에 분석하려면 더 많은 장비가 요구되어 왔다. 

 

연구팀은 이를 '메타표면' 기술로 해결했다. 메타표면은 나노미터 크기의 아주 작은 기둥 수십만 개가 정밀하게 배열된 구조다. 각 기둥은 특정한 각도로 비틀어져 있어, 빛을 자유자재로 조절할 수 있다.

 

▲ 다초점 메타렌즈를 활용한 원편광, 파장 식별용 초소형 분광기 모식도. [포스텍 제공]

 

연구팀은 이 기둥들을 서로 다른 방향으로 회전시켜 배치함으로써, 같은 색의 빛이라도 편광 방향에 따라 초점이 맺히는 위치가 달라지도록 설계했다. 이 위치 정보를 바탕으로 빛의 색과 회전 방향을 동시에 판별할 수 있는 것이다.

 

특히, 질화규소를 사용해 자외선 영역에서도 안정적으로 작동하도록 구현했다. 질화규소는 반도체나 스마트폰 제조에 널리 쓰이는 CMOS 공정과 호환할 수 있어 상용화 가능성도 높다.

 

실제로 연구진은 기준이 되는 4가지 파장에 대해서 실험을 진행해, 빛이 어느 방향으로 회전하느냐에 따라 다른 위치에 초점이 생기는 현상을 관찰했다. 이를 통해 색과 편광 정보를 동시에 정확하게 측정할 수 있음을 확인했다.

 

지금까지 손톱보다 작은 분광기(칩스케일 분광기)는 대부분 색깔만 구분할 수 있었고, 편광을 측정하려면 추가 장치가 필요했다. 하지만 이번 연구에서는 하나의 장치로 두 가지 정보를 동시에 측정할 수 있는 초소형 분광기를 세계 최초로 구현하였다.

 

노준석 교수는 "향후 휴대형 진단기기나 환경 센서, 생체검사 시스템 등 다양한 분야로의 응용이 기대된다"고 밝혔다

 

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

 

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