영화 스타워즈에 나오는 광선 검이 현실로 나타날 날이 머지 않았다.
한국과학기술원(KAIST)는 9일 동물 뼈의 생체역학적 원리를 모사해 광학적 ‘비선형성’이 기존물질 대비 수천에서 수십억 배 큰 신물질을 개발했다고 밝혔다.
비선형성이란 입력값과 출력값이 비례관계에 있지 않은 성질을 뜻한다. 광학에선 이를 활용할 경우 빛의 속도로 동작하는 인공신경망이나 촉고속 통신용 광 스위치 등의 광소자를 구현할 수 있다.
KAIST 신소재공학과 신종화 교수 연구팀은 벽돌을 엇갈려 담을 쌓는 것과 같이 나노 금속판을 3차원 공간에서 엇갈리게 배열하면 물질 광학적 비선형성이 크게 증대됨을 확인했다.
신 교수 연구팀이 이번에 발견한 비선형성 증대원리는 광학 뿐 아니라 전자기학, 유체역학, 열역학 등 다양한 물리분야에도 적용이 가능할 전망이다.
잘 제어된 빛이나 빛만으로 구동되는 광컴퓨터를 만드는 것은 비선형성을 이용할 때 가능하다. 그러나 비선형성을 가진 소재가 없어 지금까지 실현이 불가능 했다.
물론 작은 비선형성으로도 초고속 광소자나 3차원 광식각 공정, 초 고 분해능 현미경 등 기술들이 구현될 수 있지만 이들은 크고 비싼 고출력 레이저를 사용하거나 큰 장비 혹은 소자가 필요하다는 한계를 지녀왔다.
이에 신 교수 연구팀은 나노 금속판이 3차원에서 엇갈려 배열돼 있으면 국소분극이 공간을 촘촘히 채우면서 전체적으로 큰 분극을 만든다는 점에서 착안했다.
연구팀이 이번에 고안한 메타물질은 시간적으로 짧은 광신호에 대해서도 큰 비선형 효과를 얻을 수 있음을 통해 기존보다 효율적이고 빠른 광소자 구현이 가능함을 확인했다.
특히 연구에 활용된 소자는 기존 소자보다 효율이 8대, 신호 시간도 약 10배 정도 월등했다. 형재까지 개발된 광소자 중 가장 우수한 성능을 보인 것.
신종화 교수는 “올해는 1960년 레이저가 발명된 지 60년이 되는 해로 ‘센 빛’을 최초로 만든 것이 레이저라면 이번에는 ‘센 물질’, 즉 광대역에서 매우 큰 유전분극 증대율을 보이는 물질을 최초로 발견하고 증명한 연구”라고 밝혔다.
이어 “기계학습을 위한 초고속 인공 신경망 등 다양한 광 응용 소자 구현을 위해 후속 연구를 진행하고 있다”고 덧붙였다.
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성재단 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지 `커뮤니케이션즈 피직스(Communications Physics)' 온라인 판에 게재됐다.
