메타물질 이용한 테라헤르츠파 편파 변환 기술 개발

         - 영상기술 및 무선 통신기술 등에 적용, 테라헤르츠파 기반 기술 실용화 기여

         - GIST 장재형 교수팀, 네이처 자매지 Scientific Reports에 논문 게재

[그림 1] 메타물질 기반의 테라헤르츠 편파 변환 소자 및 동작 모식도. 선편광의 테라헤르츠 입사파(오른쪽 Ei)가 메타물질 기반의 테라헤르츠 편파 변환 소자를 투과하면서 원편광의 테라헤르츠 투과파(왼쪽 Et)로 변환됨.

□ 하이브리드 형태의 메타물질*을 활용해 테라헤르츠파*의 편파*를 변환시킬 수 있는 기술이 개발되었다. 이 기술을 활용하면 테라헤르츠파 대역에서의 영상기술 및 무선 통신기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. (그림1 참조)

  * 메타물질 : 전자기파의 파장보다 매우 작은 크기의 유전체 또는 금속 공진기 구조를 주기적으로 배열하여 자연계에 존재하지 않는 독특한 성질을 실현하는 인공 물질

  * 테라헤르츠파 : 1초에 1조(1012)번 진동하는 주파수를 가지는 전자기파. 병리조직 진단, 폭발물 및 마약 탐지 등에 활용되는 테라헤르츠파를 이용한 영상 및 분석기술은 미래 유망기술 가운데 하나로 꼽힌다.

  * 편파 : 전자기파의 전기장 또는 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상

  ∘ GIST(광주과학기술원) 장재형 교수팀(전기전자컴퓨터공학부)은 테라헤르츠파의 편파 방향에 따라서 반대의 특성으로 공진하는 하이브리드 메타물질을 고안해, 광대역에서 높은 효율로 선형 편파의 테라헤르츠파를 원형 편파의 테라헤르츠파로 변환시키는 데에 성공했다.

□ 테라헤르츠파는 투과 특성이 우수하고 인체에 무해한 수준의 낮은 에너지를 가지고 있어서 암 진단을 위한 차세대 바이오 메디컬 영상 기술에 적용이 가능하며, 공항 검색대 등에서 X레이를 대체할 수 있다. 또한 높은 주파수를 활용한 초고속 무선 통신기술에도 활용 가능하다. 이를 위해서는 전자기파의 성질 중 하나인 편파를 자유자재로 제어하는 기술이 필요하다.

  ∘ 하지만 테라헤르츠파는 낮은 에너지를 가지고 있어서 반도체 물질을 이용한 전자기파의 직접적인 제어가 어렵기 때문에, 최근 인공의 메타물질을 활용한 제어 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

[그림 2] 입사파의 편파 방향에 따른 등가 회로 모델과 상보적인 측정 결과. (a) X방향 편파에 대한 등가 회로 모델과 주파수에 따른 대역 통과 투과 및 위상의 변화 그래프 (b) Y방향 편파에 대한 등가 회로 모델과 주파수에 따른 대역 소거 투과 및 위상의 변화 그래프.

[그림 3] 제작된 편파 변환 소자의 동작 특성 그래프. (a) 편파 방향에 따라 상보적인 편파 변환 특성 그래프 (b) 주파수에 따른 투과된 테라헤르츠파의 타원율 그래프.

□ 연구팀은 먼저 유연한 초박막 기판 위에 하이브리드 메타물질을 구현했다. 이 메타물질은 LC-공진기*로서 한쪽 방향(X방향)에서는 대역 통과 특성으로, 90° 틀어진 방향(Y 방향)에서는 대역 소거 특성의 투과 특성을 보이도록 설계하였다.

  * LC-공진기: 인덕터와 캐패시터의 연결 회로로서 특정 주파수에서 공진하는 특성을 보인다.

  ∘ 이 메타물질은 테라헤르츠파의 편파 방향에 따라서 반대의 특성으로 공진하며, 그 결과로 X방향의 테라헤르츠파와 Y방향의 테라헤르츠파 사이에 90°의 위상 차이가 발생하고, 편파 변환이 일어나게 된다. (그림2 참조)

  ∘ 연구팀은 0.64~0.82 THz, 0.96~1.3 THz의 광대역에서 4~10dB의 낮은 삽입 손실*이 나타남을 확인했으며, 0.997의 이상적인 타원율*을 보이는 테라헤르츠파 편파 변환에 성공했다. (그림3 참조)

  * 삽입 손실 : 신호의 전송 경로에 물체를 삽입함으로써 발생하는 손실

  * 타원율: 이상적인 원에 가까운 정도를 나타내는 척도. 1에 근접할수록 완벽한 원에 가깝다.

  ∘ 연구팀의 기술을 적용하면 부피가 큰 벌크 광학*에 기반을 둔 기존 테라헤르츠 편파 변환 장치를 대체하여 소형화된 테라헤르츠파 기반 시스템의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다. 

  * 벌크 광학 : 거울‧렌즈와 같이 3차원적인 부피를 가지는 부품을 사용하는 광학. 신호의 손실이 크며, 시스템을 소형화하기 어려운 단점이 있다.

□ 장재형 교수는 “대부분의 테라헤르츠 신호원에서는 선형 편파의 테라헤르츠파가 출력되는데, 영상 및 분광기술 분야에서는 원형 편파의 테라헤르츠 신호원을 필요로 하는 경우가 많다”며 “앞으로 자체 개발 중인 테라헤르츠 신호원과의 집적을 통해서 원형 편파의 테라헤르츠 신호원을 구현할 계획”이라고 말했다.

□ GIST 장재형 교수(교신저자)가 주도하고 박사과정의 무하마드 타얍 누만(M. T. Nouman‧제1저자) 학생이 수행한 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다. 관련 논문은 12월 13일 세계적 권위의 학술지인 네이처(Nature)의 자매지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재됐다.    <끝>

대외협력팀