2025년 03월 24일(월) 11:01

광스핀홀 측정법 모식도 및 결과. GIST 제공

GIST 기계로봇공학부 김민경 교수와 이진경 박사과정생. GIST 제공

광주과학기술원(GIST)은 기계로봇공학과 김민경 교수팀이 연세대학교 이다솔 교수, 포항공과대학교(POSTECH) 노준석 교수 연구팀과 함께 메타표면을 활용해 광스핀홀 효과를 단 한 장의 이미지로 실시간 정밀 측정하는 혁신적인 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

이번 연구는 높은 정밀도와 즉각적인 검출이 요구돼 물체 표면의 변화를 초 단위로 감지해야 하는 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

광스핀홀 효과는 빛이 물체 표면에서 반사되거나 방향이 바뀔 때 중심 위치가 미세하게 이동하는 현상이다. 이는 초소형 광학 소자 및 정밀 측정 기술의 핵심 원리로, 빔 분할기나 필터 등 다양한 광학 장치에 활용될 수 있다.

기존 측정법에서는 물체 표면에서 반사된 빛을 편광판에 통과시킨 후 카메라로 빛의 이미지를 얻는데, 이때 편광판의 각도를 회전시켜 여러 차례 이미지를 촬영하고 조합해야만 광스핀홀 효과를 측정할 수 있었다.

이 방식은 높은 정밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 실시간으로 변화하는 표면에 대한 정밀 측정에는 한계가 있어 이를 필요로 하는 분야에서는 활용이 어려웠다.

연구팀은 메타표면(Metasurface)을 이용하면 두 개의 편광판 효과를 동시에 구현할 수 있다는 점에 착안해, 단 한 번의 이미지 촬영만으로 광스핀홀 효과를 측정할 수 있는 혁신적 방법을 고안했다. 메타표면은 나노미터 크기의 인공 구조물 배열로, 빛의 편광과 방향을 정밀하게 조절할 수 있다.

이 기술은 메타표면을 통해 서로 다른 편광을 가진 두 개의 빛을 분리하고, 이들이 카메라의 서로 다른 위치에 동시에 도달하도록 설계됐다. 이를 통해 두 빛의 상대적 위치 차이를 분석하여 광스핀홀 효과를 정밀하게 측정하는 데 성공했다.

연구팀은 프리즘에서 반사된 빛을 대상으로 실험한 결과, 단 한 장의 이미지 촬영만으로도 광스핀홀 효과를 측정할 수 있음을 입증했다. 기존 방식과 동일한 정밀도를 유지하면서도 측정 효율을 비약적으로 높인 것이다.

또 메타표면을 회전시켜 광스핀홀 효과의 측정 민감도를 조절하고, 광스핀홀 효과가 시간에 따라 변할 수 있도록 인위적으로 환경을 만들고 해당 측정법을 적용한 실험에서도 광스핀홀 효과의 변화를 초 단위로 실시간 관찰하는 데 성공했다.

김민경 교수는 “기존 방식은 수차례에 걸친 측정 절차가 필요해 실시간으로는 사용될 수 없었지만, 이번 연구를 통해 단 한 번의 측정만으로도 광스핀홀 효과를 정밀하게 분석할 수 있게 되었다”며 “이 기술은 화학, 생물학, 의학 등 실시간 초고감도 검출이 필요한 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

김민경(GIST)·이다솔(연세대)·노준석(포스텍) 교수의 지도로 이진경 GIST 박사과정생, 김재경 포스텍 석박통합과정생, 심상민 연세대 석박통합과정생이 함께 수행한 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 지난 19일 온라인 게재됐다.