3차원 구조의 메타물질 활용, 테라헤르츠파 편파 변환 기술 개발

테라헤르츠파는 인체에 무해한 수준의 낮은 에너지를 가지고 있어서 전자파 노출 위험이 없다. 이 때문에 차세대 의료용 영상기기, 공항검색대 등에 테라헤르츠파를 적용하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다.

테라헤르츠파를 활용하기 위해서는 전자기파의 주파수와 진폭뿐만 아니라 ‘편파’를 자유자재로 제어하는 기술이 필요한데, 부피가 큰 기존 편파 변환 장치는 시스템의 소형화‧집적화가 어려워 새로운 기술 개발이 필요한 상황이다.

GIST 연구팀은 3차원 구조의 메타물질을 활용해 차세대 테라헤르츠파 영상기기의 소형화에 기여할 수 있는 테라헤르츠파 편파 변환 기술을 개발했다.

차세대에너지연구소 장재형 소장(전기전자컴퓨터공학부 교수) 연구팀은 나란히 세운 두 개의 메타물질을 3차원으로 연결하는 구조를 고안, 기존 대비 160분의 1의 두께이면서도 99.9%의 높은 효율로 테라헤르츠 주파수 대역의 선평입사파를 90° 기울어진 선형 편파로 변환하는 데 성공했다.

이번 성과가 적용되면 눈으로 볼 수 없는 가려진 물체를 다양한 편파를 이용해 영상화할 수 있어, 차세대 테라헤르츠 영상기술의 성능 향상에 크게 기여할 수 있다.

<3차원 메타물질 기반의 편파 변환 소자 모식도>

선편광의 테라헤르츠 입사파(좌)가 3차원 메타물질 기반의 테라헤르츠 편파 변환 소자를 투과하면서 90°기울어진 테라헤르츠 투과파(우)로 변환되는 과정을 볼 수 있다.

연구팀은 먼저 열과 압력을 가한 폴리머 물질에 전도성 물질과 감광물질을 증착한 후 마스크 패턴을 통해 자외선을 쏘아줌으로써 원하는 구조의 3차원 메타물질을 형성시켰다. 이 메타물질은 특정 주파수에서 대역 통과 특성을 가지며, 입사하는 테라헤르츠파(X 방향)를 90° 틀어진 방향(Y 방향)으로 편파 변환되도록 설계됐다.

입사하는 테라헤르츠파에 의해 앞면의 메타물질이 먼저 공진하면, 이와 동시에 생성된 표면전류가 3차원 구조의 기둥을 따라 뒷면의 메타물질에 전달된다. 전달된 표면전류는 설계된 메타물질의 형상에 따라 사용자가 원하는 주파수에서 편파 변환이 일어나게 된다.

<3차원 메타물질 기반의 편파 변환 소자 동작 원리>

(ㄱ) 앞면 메타물질 표면전류 분포도 (ㄴ) 앞면과 뒷면을 연결하는 3차원 기둥의 표면전류 분포도 (ㄷ) 뒷면 메타물질 표면전류 분포도이다. 앞면 메타물질의 공진과 동시에 생성된 표면전류는 3차원 구조의 기둥을 따라서 뒷면의 메타물질에 전달하게 된다.

이를 통해 기존 벌크 광학에 기반을 둔 편파변환 장치는 입사하는 파장의 20배의 두께를 가지는 반면, 제안한 메타물질을 이용한 편파변환 장치는 입사 파장의 1/8 두께를 가진다.

연구팀은 1테라헤르츠(THz) 대역에서 3.3dB의 삽입 손실이 나타남(편파 변환 효율 99.9%)을 확인했으며, 이는 기존 연구(97.8%)와 비교해 최고 수준의 편파 변환 효율을 갖는 기술이다.

<제작된 편파 변환 소자의 동작 특성 그래프>

주파수에 따른 테라헤르츠파의 투과율 그래프이다. 0°로 투과되는 테라헤르츠파(X 방향)는 0에 가깝게 나타나며, 90° 틀어진 방향(Y 방향)으로 편파 변환되어 투과하는 테라헤르츠파는 0.68의 투과도를 나타낸다. 계산되어진 편파 변환 효율은 99.9%으로 이상적인 테라헤르츠파 편파 변환에 성공했다.

장재형 교수는 “이번 성과는 인공의 메타물질을 활용해 세계 최고 수준의 테라헤르츠 편파 제어 기술을 개발한 것”이라며 “기존 광학 영상기기로는 찾을 수 없는 암의 진단이나 금속 무기 탐지 등이 가능한 차세대 영상 시스템의 소형화 및 실용화를 앞당길 것으로 기대한다” 고 말했다.