KAIST '빛 제어' 초소형 광학칩 세계 첫 개발…열영상 센스 등 다양한 기능 확보

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 전기신호만으로 빛을 자유롭게 제어해 하나의 초소형 광학칩으로 열영상 센서와 분광기, 적외선 카메라 등 다양한 장치로 활용할 수 있는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)는 항공우주공학과 김현정 교수팀이 미국 매사추세츠공과대(MIT) 주에이전 후(Juejun Hu) 교수과 공동으로 메타표면 기반의 투과형 중적외선 공간광변조기(SLM)를 개발했다고 14일 밝혔다.

메타표면(Metasurface)은 머리카락보다 훨씬 작은 미세구조를 이용해 빛의 세기와 방향, 파장 등을 자유롭게 제어하는 초박형 광학 구조다.

공간광변조기는 빛이 얼마나 통과하고 어떤 형태로 전달될지를 픽셀(Pixel) 단위로 조절하는 광학 소자로, 연구팀은 각 픽셀을 전기적으로 독립 제어하는 데 세계 최초로 성공했다.

이번 기술의 핵심은 광학칩 하나를 전기적으로 제어해 다양한 센서기능을 수행가능토록 한 데 있다. 기존에는 새로운 기능을 구현할 때마다 광학 필터와 센서를 새로 제작해야 했지만 앞으로는 하드웨어 교체없이 소프트웨어만으로 센서기능을 바꾸는 '소프트웨어 정의 센' 구현이 가능해질 전망이다.

연구팀은 전기신호를 받으면 빛이 통과하는 정도가 달라지는 광학상변화 소재(GSST)와 실리콘 핀(PIN) 다이오드를 적용해 광학칩의 각 픽셀을 세계 최초로 독립 제어하는 데 성공했다.

이를 통해 6×6픽셀 전체를 원하는 대로 제어했고 1만6700회 이상 반복 구동에도 안정적인 성능을 유지토록해 기존 기술보다 약 13배 높은 내구성을 확보했다.

GSST 소재는 전기신호를 한번 받으면 상태가 유지돼 전원이 꺼져도 계속 같은 성능을 유지하는 비휘발성(Non-volatile) 특성을 갖기 때문에 지속적으로 전력을 공급할 필요가 없어 전력사용이 제한적인 위성이나 우주탑재체에 적합하다.

확보된 소자는 반도체 공정을 이용해 광학소자를 제작하는 기술인 ‘실리콘 포토닉스(Silicon Photonics)'로 제작돼 향후 수백~수천개 이상의 픽셀을 갖는 대형 광학 칩으로 확장할 수 있다.

연구팀은 이 기술이 상용화되면 위성과 우주탑재체는 물론 발사체 상태 진단, 우주정거장 열 감시, 적외선 영상, 광통신 등 다양한 광학 시스템을 하나의 플랫폼으로 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 김현정 교수가 미국 항공우주국(NASA) 연구원으로 재직하던 지난 2018년 시작한 MIT-NASA 공동연구를 KAIST에서 발전시킨 성과다. 이를 바탕으로 현재 KAIST STAR Lab과 MIT 주에이전 후(Juejun Hu) 교수팀이 능동 메타광학(Active Meta-optics), 실리콘 포토닉스, 우주센서 시스템을 공동 연구하며 실제 우주적용을 목표로 협력하고 있다.

연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 지난 7일 게재됐다.

김현정 교수는 "이 연구는 하나의 광학칩이 임무에 따라 다양한 기능을 수행하는 소프트웨어 정의 센서 시대의 기반을 제시한 성과"라며 "MIT와 협력을 통해 실제 우주 시스템에 적용할 수 있는 기술로 발전시키겠다"고 말했다.

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