국립한밭대, 차세대 나노광학 기술 한계 넘었다…세계적 학술지 성과 게재

국립한밭대학교(총장 오용준) 이장원 교수 연구팀이 한국표준과학연구원과의 공동연구를 통해 차세대 중적외선 나노광학 기술의 새로운 가능성을 제시했다.

국립한밭대는 이장원 교수 연구팀과 한국표준과학연구원 공동연구진이 2차원 반도체 물질의 광학적 한계를 극복하고, 포논 폴라리톤의 운동량을 양자화하는 새로운 나노광학 공진기 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 'Momentum quantization of hyperbolic phonon polaritons in photonic-crystal cavity'라는 제목으로 지난 28일 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다. 해당 학술지는 영향력지수(IF) 13.9, JCR 상위 8% 수준의 국제 학술지다.

연구팀이 주목한 물질은 6방정형 질화붕소(h-BN) 내부에서 발생하는 쌍곡선형 포논 폴라리톤(Hyperbolic Phonon Polaritons)이다. 포논 폴라리톤은 물질 내부의 진동과 빛이 결합해 형성되는 준입자로, 방향에 따라 서로 다른 분산 특성을 보이는 것이 특징이다. 이러한 특성으로 차세대 중적외선 나노포토닉스의 핵심 기술로 주목받고 있다.

그러나 기존 기술은 연속적인 분산 관계로 인해 에너지 손실이 발생할 수 있고, 높은 품질 계수(Q-factor)를 갖는 공진 상태를 구현하는 데에도 기술적 어려움이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 광자결정(Photonic Crystal) 나노캐비티 구조에 질화붕소 박막을 결합한 '하이퍼볼릭 폴라리토닉 캐비티 결정(HPCC)'을 고안했다.

특히 주기적으로 배열된 측면 경계면을 활용해 패브리-페로(Fabry-Pérot) 위상 정합 조건을 구현했다. 이를 통해 기존의 연속적인 분산 관계를 이산적인 운동량 고유 상태로 전환하고, 쌍곡선형 포논 폴라리톤의 운동량을 양자화하는 데 성공했다.

연구팀은 나노공정을 통해 광자결정 구조를 설계·제작한 뒤, 광유도 힘 현미경(PiFM·Photo-induced Force Microscopy)을 활용해 나노구조 내부에 강하게 구속된 전자기장의 세기를 정밀하게 측정했다.

이를 바탕으로 나노구조 내부에 갇힌 양자화 모드를 운동량 공간과 실공간에서 직접 관찰하는 성과도 거뒀다.

아울러 개발한 캐비티 구조가 높은 품질 계수(Q-factor)와 매우 작은 모드 체적을 동시에 구현할 수 있음을 확인했다. 이는 빛과 물질의 상호작용을 크게 증대시키는 퍼셀(Purcell) 효과를 높이는 데 기여한다.

연구팀은 이번 성과가 향후 고감도 분광 분석과 선택적 진동 분광학을 비롯해 재구성 가능한 중적외선 나노광학 소자 개발 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대하고 있다.

한편, 이번 연구는 국립한밭대학교 이장원 교수 연구팀과 한국표준과학연구원 장정훈·이은성 박사 연구팀이 공동으로 수행했다. 연구는 과학기술정보통신부 개인기초연구 우수연구사업과 한국표준과학연구원의 양자소재 성능평가 플랫폼 구축 전략연구사업의 지원을 받아 진행됐다