[뉴스웍스=문병도 기자]  노준석 포항공대 기계공학과·화학공학과 교수, 통합과정 김인기·정헌영 씨 팀이 광학집게나 광학스패너로 활용할 수 있는 소용돌이 빔을 만들어내는 메타렌즈를 개발했다고 18일 밝혔다.

빛이 진행하면서 소용돌이 형태의 모양을 그리는 것을 ‘궤도 각 운동량 (OAM)’이라고 부르며 이러한 궤도 각 운동량을 가진 빛을 쉽게 ‘소용돌이 빔’이라고 지칭한다.

이 운동량은 똑같은 주파수나 편광 상태를 갖고 있어도 더 많은 정보를 저장할 수 있어 초고용량 광통신 기술 개발에 활용되고 있다.

이 소용돌이 빔이 물체와 만나면 물체를 좌우로 움직이거나 회전시킬 수 있어 광학집게나 광학스패너, 광학모터로 응용할 수 있다는 사실이 밝혀지면서 최근 활발한 연구가 진행되고 있다.

하지만 이 같은 소용돌이 빔을 만들려면 렌즈나 홀로그램 판과 같이 부피가 큰 광학 부품들이 필요해 실제로 광학집게나 광학 스패너로 활용하기에는 제한이 있어 왔다.

노 교수팀은 두께가 300nm(나노미터, 1nm는 10억 분의 1m)에 불과한 메타표면으로 소용돌이 빔을 만들어 내는 다기능성 메타렌즈를 제작했다.

이 렌즈는 머리카락의 두께보다 수백 배 얇아 이를 이용한 소자는 단순한 기능성 표면으로 보일 정도다.

수소화 비정질 실리콘으로 만들어진 이 렌즈는 항상 설계한 대로 소용돌이 빔을 특정한 초점에 모을 수도 있고, 그 회전도 마음대로 조정할 수 있다.

이 소재는 기존 반도체 공정에 자주 사용되는 소재인 만큼 더 큰 면적의 소자를 제작하기에도 유리하다.

연구팀이 제시한 설계방법을 이용하면 메타렌즈 뿐만 아니라, 메타표면을 이용한 홀로그램이나 컬러 프린팅 소자 설계에도 활용할 수도 있다.

무엇보다 이 메타렌즈의 소용돌이 빔을 사용하면 나노크기의 아주 작은 입자를 정교하게 움직일 수 있고, 회전시키는 것도 가능하기 때문에 아주 작은 세포를 고정하는데 필요한 광학 집게는 물론 초소형 전자소자 제작에도 활용할 수 있는 광학 스패너나 모터를 만드는데도 접목할 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 전략공모사업, 선도연구센터, 글로벌프론티어사업, 글로벌 박사펠로우십의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 광학 분야 저널인 나노스케일 최근호를 통해 발표됐다.

노준석 교수는 “이번에 개발된 메타렌즈를 바탕으로 광학 집게와 광학 스패너 등 유용한 응용 기술로 접목하는 연구도 지속적으로 진행할 것”이라고 말했다.