편광으로 구현된 나노픽셀의 색변환 및 온-오프 모드.(사진=부산대 제공)

부산대학교 연구팀이 편광(전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상)에 따라 색 변환과 온-오프 모드를 자유롭게 구현하는 나노픽셀을 개발해, 광학적 보안·암호화 이미지, 데이터 저장 및 디스플레이를 포함한 미래 유망 기술에의 다양한 활용이 기대된다.

부산대는 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 편광에 따라 다양한 광학적 특성 변환을 유도할 수 있는 나노픽셀을 개발하고, 이를 통해 자유로운 색 변환 및 온-오프 모드 구현에 성공했다고 20일 밝혔다.

부산대 연구팀은 플라즈모닉 메타표면을 구성하는 나노픽셀의 나노 구조체가 가지는 자체 구조적 특성(형태 및 크기)과 하나의 나노픽셀을 이루는 나노디스크쌍에서의 나노 구조체 간 거리적 특성을 활용해 편광에 따라 표현되는 광 특성을 다양화했으며, 이를 통해 고정된 형태의 나노픽셀에서의 채도·밝기·색조 등 다양한 광학적 특성 제어를 유도했다.

그 결과 색 변환에 있어 최대 수백 나노미터 파장 범위까지 조정할 수 있었으며, 온-오프 모드에서는 광 강도의 대비를 약 3.2배 더 높게 실현했다.

‘플라즈모닉 메타표면’은 빛을 정밀하게 제어하기 위해 개발된 초박형 인공 구조물이다. 이 표면은 금속 나노구조로 이뤄져 있으며, 특정 파장의 빛과 상호작용할 때 금속 표면에서 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)이라는 현상이 발생한다. 이를 통해 빛의 반사·굴절·흡수·편광·위상 등을 매우 정밀하게 조절할 수 있는데, 전기·전자, 화학, 바이오·의학·약학 등의 영역에서 풍부한 활용성과 응용성을 제공한다는 점에서 최근 활발히 연구되고 있다.

플라즈모닉 메타구조체의 광학적 특성은 구조 자체의 구조체 특성 또는 재질, 주변 환경의 광학적 특성 등에 의해 정해지며 이들의 변화를 통해 광 특성의 변조가 가능하다. 이러한 접근 방식은 흡수·반사·투과·산란과 같은 광학적 특성을 변화시켜 광 필터, 광학 프린팅, 표면 강화 라만 산란(SERS) 센서 등 고감도 광학 센서 및 고해상도 이미징 등 다양한 분야에 활용된다.

부산대 김규정 교수팀은 이 분야 관련 논문 80여편을 게재하고, 국제학회에 발표하는 등 활발한 연구를 수행해 오고 있다.

이번 연구에서 제안하는 나노픽셀의 편광 의존적 광학적 특성 변조 방식은 구성 요소의 물리적 열화를 최소화하는 고정된 형태의 나노구조로 다양한 모드를 표현하는 나노픽셀을 성공적으로 구현해, 디스플레이, 광학 장치, 고감도 광학 센서, 데이터 보안 및 암호화, 데이터 저장 등에 활용될 수 있다.

특히 고유한 나노구조체의 광학적 특성 표현에 이어 편광에 따른 광 특성 변화 유도 및 온-오프 모드까지 구현 가능한 나노픽셀을 개발했다는 점에서 의의가 크며, 구조적 특성의 조절을 통해 편광으로 인한 광 특성 변화의 범위를 결정할 수 있고, 변화 범위 내에서 의도적인 이산 상태를 표현 가능한 점 또한 연구 가치를 높이고 있다.

김규정(교신저자) 교수는 “이번에 개발한 나노픽셀은 광 특성 표현 범위의 변조를 가시광 영역뿐만 아니라 근적외선 영역까지 확장 가능하며, 광 변조의 범위와 색 변환, 온-오프 모드까지 의도대로 조절 가능하다는 점에서 특히 의의가 크다. 이는 미래 고부가가치 산업적 가치가 크며 그 적용 범위가 넓어 연구적 가치도 높아 앞으로도 해당 분야에서는 꾸준한 연구적 성과가 나올 것으로 기대한다”고 말했다.

이 같은 연구 성과는 ‘Polarization-Sensitive Subwavelength Nanopixel for On-Off and Color Switchable Color Printing(편광에 민감한 파장 이하 나노픽셀에서의 온-오프 및 색 변환)’이라는 제목의 논문으로 국제 학술지 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)'에 보고돼 지난 8일자에 게재됐다.

해당 연구는 교육부 이공분야 학술연구지원사업(박사후국내연수), 과학기술정보통신부 우수연구자교류지원사업(BrainLink) 및 미래국방혁신기술개발사업의 지원을 받아, 부산대 광메카트로닉스공학과 김규정 교수(교신저자), 나노바이오융합연구소 송혜린(제1저자) 박사와 안희상(공동저자) 박사가 수행했다.