KAIST(카이스트)와 미국 MIT(매사추세츠공대) 공동연구팀이 빛을 원하는 방식으로 자유롭게 제어하는 초소형 광학 칩을 처음으로 개발했다. 광학 칩 하나만으로 하드웨어 교체 없이 센서의 기능을 자유자재로 바꿀 수 있게 될 것으로 기대된다.
카이스트는 김현정 항공우주공학과 교수 연구팀이 주에이전후 MIT 교수 연구팀과 메타표면 기반의 투과형 중적외선 공간광변조기를 개발했다고 14일 밝혔다. 공간광변조기는 빛이 얼마나 통과하고 어떤 형태로 전달될지를 픽셀(화면을 이루는 최소 단위) 단위로 조절하는 광학 소자다.
위성이나 우주 탑재체는 임무가 바뀔 때마다 광학 필터와 센서를 새로 설계해야 한다. 이번 연구의 핵심은 하나의 광학 칩이 전기 신호만으로 다양한 센서 기능을 수행할 수 있도록 설계한 데 있다.
연구팀은 전기 신호를 받으면 빛이 통과하는 정도가 달라지는 광학 상변화 소재인 'GSST'(게르마늄-안티모니-셀레늄-텔루륨)를 활용했다. 전기신호를 한 번 받으면 상태가 유지돼, 전원이 꺼져도 계속 같은 성능을 유지하는 비휘발성 특성을 가져 전력 사용이 제한적인 위성이나 우주 탑재체에 적합하다.
또 연구팀은 각 픽셀(화면을 이루는 최소 단위)에 '실리콘 PIN 다이오드'를 적용했다. 원하는 픽셀에만 전류가 흐르도록 하는 반도체 소자다. 이를 통해 연구팀은 '6x6' 배열의 모든 픽셀을 독립적으로 제어하는 데 성공했다. 약 1만 6700회 이상 반복적으로 구동한 뒤에도 안정적인 성능을 유지했다. 이는 기존 기술보다 약 13배 높은 내구성이다.
특히 이번 소자는 반도체 공정을 이용해 광학 소자를 제작하는 '실리콘 포토닉스'를 기반으로 제작된 만큼 향후 수백~수천 개 이상의 픽셀을 가진 대형 광학 칩으로 확장할 수 있을 것으로 보인다.
연구팀은 "이번 연구의 가장 큰 의미는 '광학도 소프트웨어처럼 바꿀 수 있다'는 새로운 개념을 제시했다는 것"이라며 "앞으로는 하나의 광학 칩이 상황에 따라 열 영상 센서, 분광기, 적외선 카메라, 광통신 장치 등 서로 다른 기능을 수행하는 '소프트웨어 정의 센서' 시대가 열릴 것"이라고 했다.
한편 이번 연구는 김 교수가 NASA(미국 항공우주국) 연구원으로 재직하던 2018년 시작한 MIT-NASA 공동연구를 카이스트에서 발전시킨 결과다. 김 교수는 "MIT의 나노포토닉스(나노 구조를 이용해 빛을 제어하는 기술)와 카이스트의 우주 센서 기술을 결합해 실제 우주 시스템으로 발전시킬 것"이라고 했다.
연구 성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 7일 온라인 게재됐다.
