▲ 정기훈 박사와 THW 광학렌즈, 굴절률에 변화를 주기 위해 렌즈의 바깥으로 갈수록 홀의 직경이 크다. .

여름철 뜨거워진 아스팔트 위로 신기루가 보이는 것처럼 밀도차에 의한 공기 굴절률이 달라지는 현상을 응용한 광학렌즈가 개발됐다.

KAIST(총장 강성모) 정기훈 바이오및뇌공학과 교수는 안재욱 물리학과 교수와 신기루 현상에서 착안한 물리적 효과를 이용해 테라헤르츠파(Tera Hertz wave, THW) 굴절률 분포형 렌즈를 세계 최초로 개발했다고 24일 밝혔다.

온도가 높으면 분자운동이 활발해져 부피가 커지고, 밀도는 낮아진다. 밀도가 낮아지면 빛의 진행에 방해를 덜해 직진성이 높아지고, 굴절률이 낮아지는 효과를 볼 수 있다.

이번에 개발된 렌즈는 평평한 실리콘 웨이퍼를 소재로 반도체 양산공정으로 제작할 수 있어 제작비용이 1/100수준으로 낮아지고, 제작시간 역시 단축시켰다.

이는 기존처럼 실리콘 소재를 곡면으로 가공해 렌즈를 제작할 필요가 없어졌기 때문이다. 더구나 광원 추출효율은 4배 이상 향상돼 더욱 놀랍다.

THW는 0.1THz~30THz 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있다.

향후 보안검색, 의료영상기술 등 비파괴 검사 도구나 의료용 진단기구의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.

그러나 넓은 대역의 주파수 특성으로 인해 손실되는 전자기파의 비율이 높아 THW를 높은 효율로 집중시킬 수 있는 광학소자 개발이 요구됐다.

정 교수 연구팀은 넓은 대역폭으로 인한 전자기파 손실을 줄이기 위해 THW를 집중시키는 광학소자를 개발하기 위해 평평한 실리콘에 THW 파장(약 300㎛) 보다 작은 80~120㎛ 크기의 구멍을 광(光)식각공정으로 만들었다. 렌즈 가장자리로 갈수록 홀 사이즈는 크게 만들었다.

테라헤르츠파를 쪼이자 공기와 실리콘 중 공기 비율이 높은 가장자리는 굴절률이 낮았으며, 상대적으로 공기의 비율이 낮은 가운데는 굴절률이 높았다. 평평한 소재를 광학특성을 공학적으로 설계해 빛을 모으는 볼록렌즈와 같은 기능을 한 것으로 신기루 현상과 같은 물리적 효과와 같다.

이번 연구를 주도한 정기훈 교수는 “자연현상에서 착안해 자연계에 존재하지 않는 다양한 광학특성을 띄는 메타물질을 인공적으로 만든 것”이라며 “물질적 제약으로 인해 다양한 광학소자개발이 더딘 THW 기술 진보에 상당한 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.

미래창조과학부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업, 그린나노기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국물리협회에서 발간하는 귄위 있는 국제학술지인 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’에 9월자 특집논문 및 표지논문(제1저자 박상길 박사과정)으로 게재됐다.