고려대-한양대, ‘한 쪽으로 나아가는 빛’ 구현한 메타표면 개발

△ 빛의 진행 방향에 따라 한 방향으로 빠져나가는 이중층 메타표면

고려대학교(총장 김동원) 물리학과 공수현 교수 연구팀이 한양대학교 윤재웅 교수 연구팀과 함께, 빛이 특정 방향으로만 방출되도록 유도하는 새로운 광메타표면을 개발했다.

*메타표면: 나노 구조로 빛의 방향과 특성을 정밀하게 제어할 수 있도록 설계된 인공 표면

본 연구 결과는 세계적 권위의 국제학술지 ‘Nature Nanotechnology(IF=38.1)’ 온라인에 6월 4일 게재됐다.

*논문명: Unidirectional guided resonance continuum of Dirac bands in WS2 bilayer metasurfaces

*DOI: 10.1038/s41565-025-01945-w

*URL: https://rdcu.be/epoQX

일반적으로 빛은 모든 방향으로 퍼지지만, 연구팀은 구조의 대칭성을 정밀하게 조절해 빛의 전파 방향에 따라 단일 방향으로만 방출되도록 하는데 성공했다. 이 현상은 넓은 파장 범위에 걸쳐 안정적으로 발생한다는 점에서 주목받고 있다.

연구팀은 층간 결합력이 약한 이황화텅스텐(WS₂)을 활용해, 미세 격자가 형성된 박막 두 장을 건식 전사 방식(dry-transfer)으로 정밀하게 겹쳐 이중층 메타표면을 구현했다. 이렇게 완성된 구조에서는 빛의 진행 방향에 따라 방출 방향이 달라지며, 일종의 광학 게이트 역할을 한다.

*이황화텅스텐(WS₂): 빛과의 상호작용이 우수하고 기계적으로 유연한 2차원 반도체

*건식 전사 방식(dry-transfer): 열이나 용액 없이 박막을 겹치는 정밀 적층 공정

기존 기술이 단일 주파수나 특정 각도에서만 효과를 보인 것과 달리, 이번 연구는 연속적인 파장 대역 전반에 걸쳐 단방향 방출이 일어나는 새로운 작동 방식을 입증했다. 공동 연구팀은 이 현상을 ‘단방향 도파 공명 연속체(unidirectional guided resonance continuum)’로 명명했다. 이는 디락 밴드(Dirac band)와 방출 모드 간 비정상적인 직교성에 기반한 현상으로, 두 파동이 서로 간섭하지 않아 방향성을 안정적으로 유지할 수 있게 한다.

*디락 밴드(Dirac band): 파동이 질량 없는 입자처럼 움직이게 하는 특수한 밴드 구조

이번 연구는 100 나노미터(nm) 이하의 얇은 구조만으로 빛의 단방향 유도에 성공했다는 점에서 큰 의의가 있다. 특히, 구조를 단순하게 유지하면서도 넓은 파장 영역에서 방향성을 효율적으로 구현해 기존과는 차별화된 광 제어 기술로 평가된다.

공동 연구팀은 “이번 연구는 3차원 디스플레이 픽셀, 초소형 지향성 레이저 및 양자광원, 초박형 메타표면 광부품 등 다양한 광소자 개발에 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단이 추진하는 리더연구자사업과 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.

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△ (왼쪽부터) 고려대 공수현 교수(공동 교신저자), 한양대 윤재웅 교수(공동 교신저자), 고려대 최대광 박사(공동 1저자), 한양대 이기영 박사(공동 1저자)