빛 색깔과 편광 동시에 제어하는 소형 광원 나왔다

2019.12.23 14:24
양자선 수직 배열 광원에서 발생하는 빛의 색깔과 편광 상호 간의 제어성. 색깔을 조절하면 선형 편광률이 바뀌게 되고, 반대로 편광을 제어하면 색깔이 바뀌는 독특한 광학적 특성을 보인다. 한국연구재단 제공.
양자선 수직 배열 광원에서 발생하는 빛의 색깔과 편광 상호 간의 제어성. 색깔을 조절하면 선형 편광률이 바뀌게 되고, 반대로 편광을 제어하면 색깔이 바뀌는 독특한 광학적 특성을 보인다. 한국연구재단 제공.

마이크로 크기의 디스플레이나 홀로그램, 정밀측량, 의료기기 등 폭넓은 분야에서 광원으로 쓰일 수 있는 색깔과 편광이 서로 얽힌 새로운 소형 광원구조가 나왔다. 

 

조용훈 KAIST 물리학과 교수 연구팀은 머리카락 굵기보다 100배 가느다란 육각연필 형태의 구조 내에 다색·다편광 특성을 갖는 양자선 수직배열 광원 개발에 성공했다고 23일 밝혔다. 

 

여러 색깔과 편광을 동시에 상호 제어하는 고효율 소형 광원은 하나의 요소만으로도 두가지 물리량을 동시에 제어할 수 있어 활용분야가 다양하다. 

 

반도체 양자선 구조는 물질의 조성이나 두께 변화를 통해 색을 조절할 수 있고 나노 수준의 편광 방향 조절도 가능해 효율적인 소형 광원으로 쓰인다. 기존에도 단순한 형태의 양자선은 있었지만 나노 단위의 정밀한 제어가 어려워 색깔과 편광을 동시에 제어하는 수직으로 정렬된 양자선 배열을 구현하기는 쉽지 않았다. 

 

연구팀은 육각연필을 닯은 반도체 기반 육각형 마이크로 막대구조를 활용해 복잡한 양자선 정렬 문제를 해결했다. 머리카락보다 얇은 육각형 막대구조를 먼저 만든 뒤 이 구조를 기본 틀로 활용해 얇은 층의 물질을 성장시켜 막대 구조의 모서리 방향을 따라 1차원 구조인 양자선들이 자발적으로 배열되도록 한 것이다. 

 

그 결과 육각연필 구조의 길이 방향으로 만들어진 양자선은 청색으로 축 방향과 나란한 편광을 지니게 됐다. 반면 연필대와 연필심의 기울어진 부분과 만나는 단면에 형성된 양자선은 녹색을 띠며 축 방향에 수직한 편광을 갖는다. 

 

기존에는 색깔을 제어하려면 셀로판지와 같은 컬러필터를 사용했고 편광을 제어하려면 편광판을 이용했다. 연구팀이 개발한 구조는 색깔을 제어하면서 편광을 바꿀 수 있고 반대로 편광을 제어해도 색깔을 바꿀 수 있다. 

 

연구팀은 개발한 구조를 이용해 기존 LCD 패널과 다르게 컬러필터 없이도 액정의 편광 특성을 이용해 색깔을 선택할 수 있다고 밝혔다. 반대로 컬러필터만으로 편광 특성까지 제어가 가능해 초소형 기능성 광원으로 활용될 수 있을 것으로 기대됐다. 연구결과는 국제학술지 ‘나노레터스’ 12월 11일자에 게재됐다. 

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