기존에는 11회 촬영…화학, 생물학 등 초고감도 검출 분야 활용 기대

(지디넷코리아=박희범 기자)빛이 반사될 때 미세하게 달라지는 중심 변화를 한 번에 포착하는 기술이 개발됐다.

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 기계로봇공학과 김민경 교수팀이 광스핀홀 효과를 실시간 초정밀 측정하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

이 연구는 연세대학교 이다솔 교수와 POSTECH(포항공과대학교) 노준석 교수 연구팀이 공동 진행했다.

GIST 기계로봇공학부 김민경 교수(왼쪽)와 이진경 연구생(박사과정).

연구팀은 "물체 표면의 변화를 초 단위로 감지해야 하는 높은 정밀도와 즉각적인 검출이 필요한 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것"으로 기대됐다.

광스핀홀 효과는 빛이 물체 표면에서 반사되거나 방향이 바뀔 때 중심 위치가 미세하게 이동하는 현상이다. 초소형 광학소자나 정밀 측정기기 등의 빔 분할기나 필터 등에 활용된다.

기존에는 물체 표면에서 반사된 빛을 편광판에 통과시킨 후 카메라로 빛의 이미지를 얻는데, 이때 편광판의 각도를 회전시켜 여러 차례 이미지를 촬영하고 조합해야만 광스핀홀 효과를 측정할 수 있었다.

이 방식은 높은 정밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 실시간으로 변화하는 표면에 대한 정밀 측정에는 한계가 있다.

연구팀은 메타표면(Metasurface)을 이용하면 두 개의 편광판 효과를 동시에 구현할 수 있다는 점에 착안해, 단 한 번의 이미지 촬영만으로 광스핀홀 효과를 측정할 수 있는 혁신적 방법을 고안했다.

메타표면은 나노미터 크기의 인공 구조물 배열로, 빛의 편광과 방향을 정밀하게 조절할 수 있다.

연구팀은 "메타표면을 통해 서로 다른 편광을 가진 두 개의 빛을 분리하고, 이들이 카메라의 서로 다른 위치에 동시에 도달하도록 설계했다"며 "이를 통해 두 빛의 상대적 위치 차이를 분석해 광스핀홀 효과를 정밀하게 측정하는 데 성공했다"고 설명했다.

기존 측정법과 단일 측정법 비교. 상단은 편광판을 회전시키며 여러 차례에 걸쳐 측정하는 기존 방법. 중간은 메타표면으로 서로 다른 두 편광의 빛으로 분리해 두 번의 실험에서 얻는 이미지를 한 번에 취득했다. 하단은 두 빛의 상대적 거리 차이로부터 광스핀홀 효과를 구했다.

연구팀은 프리즘에서 반사된 빛을 대상으로 실험한 결과, 단 한 장의 이미지 촬영만으로도 광스핀홀 효과를 측정할 수 있음을 입증했다.

김민경 교수는 "마이너스 2.5°에서 2.5°까지 0.5° 간격으로 총 11회 회전하며 측정하던 기존 방식과 동일한 정밀도의 결과를 단 한 번의 측정으로 얻었다"고 말했다.

연구팀은 메타표면을 회전시켜 광스핀홀 효과의 측정 민감도를 조절하고, 광스핀홀 효과가 시간에 따라 변할 수 있도록 인위적으로 환경을 만들어 해당 측정법을 적용한 실험에서도 광스핀홀 효과의 변화를 초 단위로 실시간 관찰했다.

김민경 교수는 “화학, 생물학, 의학 등 실시간 초고감도 검출이 필요한 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것"으로 기대했다.

연구는 GIST 김민경 교수, 연세대학교 이다솔 교수, POSTECH 노준석 교수가 공동 지도했다. GIST 이진경 연구생(박사과정), POSTECH 김재경 연구생(석박통합과정, 연세대학교 심상민 연구생(석박통합과정)이 함께 수행했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 세종과학펠로우십, 기초연구실, 중견연구자사업의 지원을 받은 이 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(3월 19일자) 온라인으로 게재됐다.

광스핀홀 측정법 모식도. .왼쪽은 메타표면을 이용한 광스핀홀 측정 모식도. 오른쪽은 GIST가 제안한 측정법과 기존 측정법을 이용한 결과 비교.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)

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