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메타물질로 빛 주파수 바꾼다

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2018년 11월 04일 15:52 프린트하기

KAIST 연구진은 ‘메타물질’을 이용해 빛의 주파수를 제어하는데 성공했다. KAIST 제공.
KAIST 연구진은 ‘메타물질’을 이용해 빛의 주파수를 제어하는데 성공했다. KAIST 제공.

 

천재물리학자 알베르트 아인슈타인의 특수상대성 이론에 따르면 빛보다 빠른 물질은 존재하지 않는다. 그보다 속도가 더 빨라지면 대신 시간이 느려지기 때문이다. 국내 연구진이 이 원리를 응용해 빛의 파장, 주파수를 조절하는데 성공했다. 차세대 광학 소자 개발로 이어질 원천기술이 될 것으로 기대된다.

 

KAIST 기계공학과 민범기·전원주 교수, 물리학과 이상민 교수 연구진은 광학적인 시공간 경계를 이용해 빛의 색과 위상을 동시에 제어하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 

 

빛의 주파수를 변화시키려는 노력은 과거부터 있었다. 정밀측정, 통신 등의 분야에서 다양한 응용이 가능하기 때문이다. 지금까지는 빛의 세기를 아주 강하게 해 두 줄기의 빛을 중첩시키는 방법으로 주파수를 조절했다. 빛은 서로 영향을 일으키지 않고 그대로 통과하지만, 빛이 가진 에너지가 커지면 그 에너지는 다른 빛에 영향을 미친다. 이 방법은 강력한 빛을 만들기 위해 많은 에너지가 필요하고, 커다란 변환장치도 설치해야 하므로 다양한 분야에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.

 

KAIST 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 ‘메타물질’을 이용했다. 투명망토에 쓰이는 메타물질은 물질의 표면에 빛의 파장보다 크기가 더 작은 특수한 무늬를 새겨 형상에 따라 부딪힌 빛이 반사되는 방향을 제어할 수 있다.

 

이전까지 메타물질 연구는 빛의 굴절률에 변화를 주는데 그쳤다. KAIST 연구진은 이런 메타물질 두 개를 동시에 사용해 빛의 속도를 높이거나 낮추도록 만들었다. 빛의 절대속도는 변화하지 않지만 빛의 파장(주파수)이 변하도록 유도한 것이다. 시공간의 변화를 이용해 실제로 빛의 주파수를 조절한 것은 이번이 처음이다.

 

연구진은 이번 연구성과를 응용하면 얇은 필름형태의 소자만으로도 빛의 파장을 바꿀 수 있어 광산업분야에 큰 혁신을 가지고 올 것으로 기대하고 있다.  민 교수는 “빛의 주파수 변화를 자유롭게 설계하고 예측할 수 있어 폭넓은 활용이 가능하다”며 “광학 분야 연구에 새 방향을 제시하게 될 것이다”라고 말했다.

 

이번 연구성과는 광학분야 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 10월 8일자 온라인 판에 게재됐다.
 

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