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이번 연구는 기존 광학계의 난제로 꼽히던 빛의 편광과 꼬임 성질을 하나의 소자에서 독립적으로 제어하는 데 성공하여, 보안 시스템과 초고속 통신 분야의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받는다.
연구팀은 빛의 진동 방향인 ‘편광(SAM)’과 나선형으로 진행하는 성질인 ‘궤도 각운동량(OAM)’을 결합한 ‘총 각운동량(Total Angular Momentum, TAM)’에 주목했다.
기존에는 이 두 성질을 동시에 제어하기 어려웠으나, 연구팀은 머리카락 굵기보다 작은 나노 구조물을 정밀하게 설계한 ‘이중층 메타표면’을 통해 이 한계를 극복했다. 메타표면은 빛의 진행 방향과 성질을 자유롭게 조절할 수 있도록 설계된 초미세 인공 구조 기반의 광학 소자다.
이 기술의 핵심은 특정한 방식으로 진동하고 정해진 횟수만큼 꼬인 빛이 들어올 때만 숨겨진 정보를 재현하는 방식이다. 마치 복잡한 암호 열쇠가 맞아야 문이 열리는 것처럼, 정해진 ‘빛의 열쇠’가 없으면 정보를 읽을 수 없어 높은 보안성을 확보할 수 있다. 특히 영상의 각 지점마다 빛의 진동 방향까지 정밀하게 제어하는 ‘벡터 홀로그램’을 구현해 고차원적인 정보 표현이 가능해졌다.
확장성 측면에서도 기대를 모은다. 빛의 꼬임 상태는 이론적으로 무한한 값을 가질 수 있어, 이를 활용하면 하나의 빛에 실을 수 있는 정보량을 획기적으로 늘릴 수 있다. 이는 기존 광통신의 한계를 넘어서는 초고용량·초고속 광통신 기술로 이어질 수 있다.
신종화 교수는 “이번 연구는 빛의 핵심 성질인 편광과 꼬임을 하나의 독립적인 정보 키로 결합해 자유자재로 활용할 수 있음을 입증한 사례”라며, “복제가 어려운 보안 시스템과 초고속 광학 통신 기술의 핵심 플랫폼으로 발전할 것”이라고 밝혔다[cite: 28].
정준교 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난 3월 12일 온라인 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다.
