KAIST-MIT, 세계 최초 픽셀 독립 제어형 투과형 중적외선 공간광변조기 개발
KAIST(총장 배충식)는 항공우주공학과 김현정 교수 연구팀이 미국 매사추세츠공과대학교(MIT, Massachusetts Institute of Technology) 주에이전 후(Juejun Hu) 교수 연구팀과 함께 빛을 원하는 방식으로 자유롭게 제어하는 초소형 광학 칩을 세계 최초로 개발했다고 7월 14일 밝혔다.
위성이나 우주탑재체는 임무가 바뀔 때마다 광학 필터와 센서를 새로 설계해야 했다. 앞으로는 하나의 초소형 광학 칩이 전기 신호만으로 열영상 센서, 분광기, 적외선 카메라 등 다양한 역할을 수행하는 시대가 열릴 전망이라는 것이다.
이번 연구의 핵심은 하나의 광학 칩이 전기 신호만으로 다양한 센서 역할을 수행하도록 만든 것이다. 기존에는 새로운 임무를 수행할 때마다 광학 필터와 센서를 새로 제작해야 했지만, 앞으로는 하드웨어를 교체하지 않고도 센서의 기능을 바꾸는 ‘소프트웨어 정의(Software-defined) 센서' 구현이 가능할 것으로 기대된다고 KAIST 측은 전했다.
연구팀이 개발한 장치는 메타표면(Metasurface, 머리카락보다 훨씬 작은 미세 구조를 이용해 빛의 세기와 방향, 파장 등을 자유롭게 제어하는 초박형 광학 구조) 기반의 투과형 중적외선 공간광변조기(SLM, Spatial Light Modulator)?다. 공간광변조기는 빛이 얼마나 통과하고 어떤 형태로 전달될지를 픽셀(Pixel, 화면을 이루는 최소 단위) 단위로 조절하는 광학 소자다. 연구팀은 각 픽셀을 전기적으로 독립 제어하는 데 세계 최초로 성공했다는 설명이다.
기존 중적외선 SLM은 대부분 빛을 반사시키는 방식이거나 많은 픽셀을 각각 독립적으로 제어하기 어려워 위성 센서나 초소형 분광기(빛을 파장별로 분석하는 장치), 적응형 광학계(환경 변화에 맞춰 광학 성능을 자동 조절하는 시스템)에 적용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 전기 신호를 받으면 빛이 통과하는 정도가 달라지는 광학 상변화 소재(PCM, Phase Change Material)?인 GSST(Ge₂Sb₂Se₄Te, 게르마늄-안티모니-셀레늄-텔루륨)를 활용해 이러한 문제를 해결했다. 이 소재는 전기 신호를 한 번 받으면 상태가 유지돼 전원이 꺼져도 계속 같은 성능을 유지하는 비휘발성(Non-volatile) 특성을 갖는다. 따라서 지속적으로 전력을 공급할 필요가 없어 전력 사용이 제한적인 위성이나 우주탑재체에 적합하다.
광학 칩의 픽셀 수가 많아질수록 선택한 픽셀 외에 다른 픽셀에도 전류가 흘러 원하지 않는 픽셀까지 함께 작동하는 기생 경로(Sneak Path) 문제가 발생한다. 연구팀은 각 픽셀에 ‘실리콘 PIN 다이오드(PIN Diode, 원하는 픽셀에만 전류가 흐르도록 하는 반도체 소자)’를 적용해 원하는 픽셀만 정확하게 선택해 제어하는 데 성공했다.
이를 통해 6×6 픽셀 배열의 모든 픽셀을 독립적으로 제어하고 원하는 광학 패턴을 구현했다. 또한 약 1만 6,700회 이상 반복 구동 후에도 안정적인 성능을 유지해 기존 기술보다 약 13배 높은 내구성?을 입증했다.
이번 소자는 ‘실리콘 포토닉스(Silicon Photonics, 반도체 공정을 이용해 광학 소자를 제작하는 기술)’ 기반으로 제작돼 향후 수백~수천 개 이상의 픽셀을 갖는 대형 광학 칩으로 확장하기 쉽다. 현재는 빛의 양을 조절하는 기능을 구현했지만, 앞으로는 메타표면 구조를 더욱 정교하게 설계해 빛의 방향과 편광까지 자유롭게 제어하는 ?범용 재구성 광학(Universal Reconfigurable Optics)으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구의 가장 큰 의미는 ‘광학도 소프트웨어처럼 바꿀 수 있다'는 새로운 개념을 제시했다는 점?이다. 즉 하나의 센서를 여러 종류의 센서처럼 사용할 수 있는 길을 연 것이다. 앞으로는 하나의 광학 칩이 상황에 따라 열영상 센서, 분광기, 적외선 카메라, 광통신 장치 등 서로 다른 기능을 수행하는‘소프트웨어 정의 센서' 시대가 열릴 것으로 기대된다.
이 기술이 상용화되면 위성과 우주탑재체는 물론 발사체 상태진단, 우주정거장 열 감시, 우주 제조 공정 계측, 적외선 영상, 광통신 등 다양한 광학 시스템을 하나의 플랫폼으로 구현할 수 있을 것으로 전망된다.
이번 연구는 김현정 교수가 미국 항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration) 연구원으로 재직하던 2018년 시작한 MIT-NASA 공동연구를 KAIST에서 발전시킨 성과다. 이를 바탕으로 현재는 KAIST STAR Lab과 MIT 주에이전 후(Juejun Hu) 교수 연구팀이 능동 메타광학(Active Meta-optics), 실리콘 포토닉스, 우주 센서 시스템을 공동 연구하며 실제 우주 적용을 목표로 협력하고 있다. 양 연구팀은 소재 개발부터 칩 설계·제작, 센서 시스템 통합, 우주환경 검증, 향후 비행실증까지 이어지는 전 주기 국제공동연구 체계를 구축했다.
김현정 교수 연구팀은 이번 기술을 실제 우주 센서로 발전시키고 있다. 과학기술정보통신부 신진연구사업에서는 발사체 표면의 초정밀 온도 측정 시스템을 개발하고 있으며, 혁신연구센터사업(IRC, Innovation Research Center)‘우주 서비스 및 제조 연구센터'에서는 우주정거장의 열 감시, 이상 진단, 우주 제조 공정 계측, 광통신 등에 활용 가능한 공통 광학 플랫폼으로 확대 연구를 진행하고 있다.
김현정 교수는 "이번 연구는 새로운 광학 소자를 하나 더 만든 것이 아니라 하나의 광학 칩이 임무에 따라 다양한 기능을 수행하는‘소프트웨어 정의 센서' 시대의 기반을 제시한 것”이라며, "MIT의 나노포토닉스(Nanophotonics, 나노 구조를 이용해 빛을 제어하는 기술)와 KAIST의 우주 센서 기술을 결합해 실제 우주 시스템으로 발전시키겠다”고 말했다.
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