성균관대학교(총장 신동렬)는 신소재공학부 최병룡 교수와 삼성전자 종합기술원 연구팀(박정현 전문연구원, 주혁 랩장)이 공동연구를 통해 위상과 진폭을 임의로 조절할 수 있는 나노광변조기를 개발했다고 밝혔다.
광변조기는 광의 기본적인 특성을 조절하여 원하는 형태를 만들어 줌으로써 디스플레이, 광센서, 광통신 등 다양한 응용이 가능하며, 최근 빛의 파장보다 작은 단위의 나노 구조물에서 빛의 밝기와 위상을 조절할 수 있는 소자에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 또한 이를 활용한 3차원 공간 인식이 가능한 로봇, 드론, 자동차 등의 자율주행용 센서(Light Detection and Ranging : LiDAR)가 기대를 모으고 있다.
하지만 기존의 나노광변조기에서는 표현 가능한 위상의 범위가 제한적이고 밝기가 균일하지 못한 문제가 있었다. 그 결과 광변조기에서 나온 빛의 효율이 떨어지고 잡음(noise) 성분이 높아서 실제적으로 응용하는 데 어려운 점이 있었다.
이에 연구진은 하나의 나노광변조기 픽셀에 두 개의 게이트 전압(그림 1)을 인가하여, 위상을 360° 범위에서 자유자재로 조절하면서도 진폭을 독립적으로 표현할 수 있는 기술(그림 2)을 제안했다. 개발된 나노광변조기는 반사된 빛의 방향을 조절할 수 있으며, 회전식 거울을 사용하는 기존의 기계적인 LiDAR 기술에 비해 속도와 내구성 측면에서 우수한 특징을 갖는다.
최병룡 교수는 “나노광변조기를 제어하여 각기 다른 방향으로 광을 보낸 후 반사된 빛의 펄스 지연시간을 측정함으로써(time-of-flight, ToF), 최초로 3차원 공간 정보를 획득하는 데에(그림 3) 성공했다”며 “향후 반도체공정 기반으로 칩 형태의 초소형 LiDAR 개발 가능성을 제시한 데 의미가 있다”고 말했다.
본 연구 결과는 Nature Nanotechnology에 10월26일(월) 온라인 게재됐다.
최병룡 교수
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