숭실대, 메타표면 활용 밀리미터 대역 전자기 집속렌즈 개발

숭실대 이원우 박사과정 학생(왼쪽부터), 이호진 교수, 박창근 교수, 홍순기 교수. [사진=숭실대 제공]

숭실대는 이호진 전자정보공학부 교수 연구팀 논문이 세계적인 학술지 '네이처(Nature)'의 자매지인 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 최신호에 게재됐다고 2일 밝혔다.

이 교수(교신저자)와 이원우 박사과정 학생(제1저자), 박창근·홍순기 교수 연구팀이 공동으로 작성한 '입사각에서 자유로운 단층 메타표면 기반의 밀리미터 대역 전자기 집속 렌즈'를 주제로 한 논문이다.

공동 연구팀이 개발한 메타렌즈는 두께 1㎜ 미만인 단층 형태 메타표면을 이용해 밀리미터파 전자기 집속이 가능하다. 수직 입사뿐 아니라 다양한 입사각을 가지는 입사파에 대해서도 우수한 전자기 집속 능력이 있다는 것을 실험적으로 증명했다.

메타표면은 2차원 형태 메타물질로 전자기파 위상·진폭·편광 등을 제어할 수 있는 광학적 특성이 있다. 새로운 광학 소자 설계 기술로 주목받는 연구 분야다. 하지만 현재 메타표면을 이용한 렌즈 설계 기술 연구는 대부분 가시광선 대역에서 이뤄져 밀리미터 대역에서 주로 사용하는 안테나·통신 등 기술에 응용하기 어려웠다.

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이에 공동 연구팀은 35~40㎓ 범위 광대역 동작에도 전자기 집속 능력을 유지하는 우수한 광학적 특성을 실험적으로 구현했다.

특히 중심 동작 주파수인 38㎓ 대역에서는 편광 방향에 독립적인 전자기 집속 능력을 구현해 밀리미터 대역에서 동작하는 새로운 메타표면 렌즈 설계 기술을 보고했다.

연구팀이 제안한 메타표면 렌즈는 입사각에서 자유로운 특성을 가지도록 설계됐다. 따라서 전자기파 입사각이 -30~30도 정도 기울어진 채로 입사해도 전자기가 집속되는 초점의 위치가 거의 변하지 않는다. 이러한 광학적 특성이 광대역 동작에서도 유지되는 흥미로운 연구 결과를 실험적으로 증명했다.

이호진 교수는 "이번 밀리미터 대역 메타표면 렌즈 설계 기술은 광대역 동작 특성과 광각의 전자기 집속 기술 구현이 가능해 고이득 안테나·위상 천이 기술 등 다양한 밀리미터파 제거 기술 전반에 응용할 수 있을 것"이라 말했다.

이번 연구는 미국해군연구소와 한국연구재단 지원을 받아 이뤄졌다.