ADVANCED PHOTONICS AND OPTOELECTRONICS LAB (APOL)
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Research
우리 연구실은 빛과 관련된 새로운 현상을 탐구하고 학습하며, 이를 이용하여 차세대 광학 소재와 최첨단 광전소자를 설계하고 개발하고자 합니다. 우리 연구실의 주요 연구 분야는 다음과 같습니다.
1. 다기능성 포토닉스
우리 연구실의 핵심 연구 분야로, 빛이 나노ㆍ마이크로미터 구조와 상호작용하며 나타나는 물리 현상을 정밀하게 이해하는 것을 목표로 합니다. 구조와 재료, 주변 환경에 따라 달라지는 이러한 상호작용을 바탕으로 새로운 광학적 현상과 기능을 발굴하고, 이를 활용한 새로운 광학 소자 설계의 기초를 마련하고 있습니다 (그림 1). 이러한 연구는 다양한 응용 분야로 확장되는 중요한 기반이 됩니다.
그림 1. 전자기파 스펙트럼 중 일부인 빛과 그 응용 분야 (Optoelectronics & Photonics)
Light–matter interaction을 이해하기 위해 Finite-Difference Time-Domain(FDTD)과 Rigorous Coupled-Wave Analysis(RCWA) 같은 3차원 광학 시뮬레이션 소프트웨어를 활용해 이론적 계산을 수행하므로, 수학적 난이도에 대한 부담은 크지 않습니다. 이 분야에서는 다양한 광학 구조에서 나타나는 빛의 반사, 흡수, 투과 특성을 체계적으로 탐구하며, 빛과 물질이 상호작용할 때 발생하는 특이한 반응을 이론적으로 분석합니다.
또한 포토닉 구조의 성능을 예측하고 최적화하기 위해 이론적 설계를 우선적으로 진행하고, 가능할 경우 직접 제작과 실측까지 이어질 수 있습니다. 이렇게 구현된 구조는 아래의 여러 연구 분야에 응용할 수 있어 연구 흐름이 자연스럽게 확장된다는 장점도 있습니다 (그림 2).
그림 2. 다기능성 포토닉스의 예시
2. 차세대 에너지 광 소자 / 포토닉 소재 개발
우리 연구실은 전자기파를 활용해 에너지를 생산하고 절감하는 energy-harvesting 관점의 연구를 중점적으로 수행하고 있습니다. 태양전지처럼 이미 널리 알려진 기술부터, 아직은 생소하지만 잠재력이 큰 복사 냉각(Radiative cooling)까지 다양한 형태의 에너지 변환ㆍ관리 기술을 폭넓게 탐구하고 있습니다 (그림 3). 이러한 연구는 에너지 소비를 줄이고 효율적으로 활용하는 방향으로 세계가 나아가는 흐름과 맞닿아 있으며, 탄소 중립(Net-Zero)을 달성하기 위한 핵심 기반 기술로 주목받고 있습니다.
현대의 냉방 기기들은 대부분 탄소 기반의 냉매를 사용하고 있어, 완전한 탄소 중립을 위해서는 냉방 시스템 자체를 친환경 방식으로 전환해야 합니다. 이러한 측면에서 외부 에너지원 없이 스스로 열을 방출해 냉각 효과를 내는 복사 냉각 기술은 매우 유망한 대안으로 주목받고 있습니다. 우리 연구실은 이 기술의 핵심 원리를 공부하고, 실용적인 소자로 구현하기 위한 소재ㆍ구조 설계 연구를 진행하고 있습니다.
그림 3. 복사 냉각 기술에 사용되는 전자기파 대역과 개념도, 샘플 및 효과 (Zero-energy 냉각)
복사 냉각은 열 전달의 3요소 중 하나인 열 복사를 통해 지구-우주 간의 열교환으로 우리 주변의 열 에너지를 매우 낮은 온도를 가지는 우주로 내보내어 별도의 에너지 사용없이 냉각할 수 있는 획기적인 기술입니다. 이외에도 우리 연구실에서는 태양광을 이용한 광촉매를 통해 물을 분해하여 수소 에너지를 생성하는 기술(광전기화학 반응)과 전력 없이 냉각할 수 있는 복사 냉각 소재를 개발 중이며, 그에 따른 여러 가지 내용들을 학계에 보고하였습니다 (그림 4).
그림 4. 복사냉각, Energy-harvesting 시스템 예시
3. 광 암호화 소자 개발
사물인터넷(IoT) 시대가 다가오면서 스마트 홈 가전, 커넥티드 카(Connected car) 등 인간 생활에 편리함을 제공해주는 다양한 기기들이 등장하고 있습니다. 그러나 이러한 IoT 기기들에 관한 해킹 사례가 빈번하게 발생하고 있어, 안전한 보안 대책이 요구되고 있습니다. 이에 더해 근미래 사회에 등장할 양자컴퓨터는 현재의 보안 체계를 아주 손쉽게 무력화할 수 있습니다. 이러한 미래 현실에 대한 대안으로 하드웨어 기반의 물리적 복제 불가능 보안토큰 (Physically unclonable function; PUF)이 떠오르고 있습니다 (그림 5).
그림 5. 물리적 복제 불가능 보안토큰(PUF)의 특징 및 차세대 보안 체계로의 가능성
PUF 는 동일한 제조과정에서 생성되는 완전히 랜덤한 패턴(True random)을 암호로 활용하는 기술입니다. PUF 는 외부 난수값 주입(Random number generation)없이 자체적으로 랜덤하게 생성되며, 사람의 지문처럼 고유성을 지닙니다. PUF 의 가장 큰 특징은 랜덤하게 발생하는 미세 구조의 특징 상 복제가 불가능하다는 장점이 있습니다. 현재 미국 국립표준기술연구소(NIST) 주도로 미 IBM, 아마존, 구글, 마이크로소프트 등 글로벌 기업들과 PUF 기술의 표준화 작업을 진행중에 있습니다.
그림 6. 광 암호화 시스템 예시
이러한 PUF 는 광학 스펙트럼을 이용하면 공간 차원에 더불어 파장 차원이 더해져서 실제 보안토큰의 공간적 크기에 비해 훨씬 더 큰 암호 용량을 확보할 수 있습니다. 우리 연구실에서는 이러한 PUF 특성을 활용하여 광학적 양자 암호 소자를 설계하고 구현하고 측정하는 연구를 진행하고 있습니다 (그림 6).
4. III-V 화합물 반도체 광전소자를 이용한 RF-photonics
100 GHz 이상의 초고주파 신호를 직접 생성ㆍ제어하기 위해서는 전자 이동도가 높은 III–V 반도체나 다이오드 레이저가 주로 활용됩니다. 그러나 이러한 방식은 전력 효율과 이득이 상대적으로 낮고, 위상이 불안정한 광원을 안정적으로 확보하기 어렵다는 한계가 있습니다. 이러한 문제를 보완하기 위해 서로 다른 두 개의 근적외선 파장을 혼합해, 그 차이 주파수에 해당하는 기가헤르츠(또는 테라헤르츠 부근)의 전기적 비트 신호를 생성하는 방식이 활용됩니다. 이처럼 광 영역에서 고주파 신호를 추출ㆍ제어하는 기술을 RF-Photonics라고 하며, 전자적 한계를 넘는 광기반 초고주파 소스 구현 기술로 널리 주목받고 있습니다.
우리 연구실에서는 이러한 RF-Photonics 시스템을 구현하기 위해 100 GHz 이상 고주파 영역을 정밀하게 검출할 수 있는 포토다이오드를 개발하고 있습니다. 특히, 포토리소그래피ㆍ식각ㆍ증착 등 반도체 공정을 이용하여 포토다이오드를 하나의 광 집적 회로(Photonic Integrated Circuit) 상에 직접 집적하는 공정을 수행하고 있습니다 (그림 7). 이를 통해 광원, 광도파로, 포토다이오드가 단일 칩 위에서 동작하는 집적형 RF-Photonics 플랫폼을 구축하는 것을 목표로 하고 있습니다.
그림 7. RF 포토닉스 시스템 모식도 및 시뮬레이션 결과
5. 인공지능(최적화 이론) 역설계를 통한 광학 구조 및 메타표면 설계
우리 연구실은 인공지능 기반 설계 기법과 역설계 이론을 각각의 장점에 맞게 활용하며, 서로 다른 유형의 광학 소자를 개발하는 연구를 진행하고 있습니다. 이러한 접근은 복잡한 광학 구조를 효율적으로 설계하고, 기존 방식으로는 탐색하기 어려운 고성능 구조를 발굴하는 데 큰 도움을 주고 있습니다.
먼저, 인공지능 기법은 복사 냉각 광학 구조 개발에 적극적으로 활용되고 있습니다. 복사 냉각 소자는 특정 파장에서 선택적으로 열복사를 극대화해야 하는데, 이를 위해서는 구조적 파라미터와 재료 조합이 매우 복잡하게 얽혀 있습니다. 우리 연구실은 딥러닝 모델을 이용해 원하는 방출 스펙트럼을 실현할 수 있는 최적 구조를 자동으로 찾아내는 설계 전략을 구축하였습니다 (그림 8).
그림 8. 인공지능 기반 역설계 복사냉각 구조
또한, 메타표면 설계에는 역설계(Inverse design) 이론을 활용한 최적화 기법을 적용하고 있습니다. 메타표면은 나노미터 크기의 구조들이 정교하게 배열되어 빛의 위상ㆍ편광ㆍ파장을 제어하도록 설계되는데, 이를 직관적으로 설계하기엔 변수가 매우 많습니다. 역설계는 목표로 설정한 광학적 응답을 기준으로 그에 맞는 구조를 역으로 추적해 찾아내는 방식으로, 복잡한 기능성을 갖는 메타표면을 보다 효율적이고 정밀하게 설계할 수 있도록 돕습니다 (그림 9).
그림 9. 최적화 기법 기반 역설계 메타렌즈