광운대학교 이상신 교수 연구팀(전자공학과)이 중국 절강연구소, 한국전자통신연구원(ETRI), 호주국립대학교와의 공동연구를 통해 마이크론 스케일(Micron-scale)의 편광 다중화 메타표면을 활용한 광학 트래핑(polarization multiplexed optical trapping) 기술 개발에 성공하였다.

광학 트래핑(optical trapping) 기술은 물리적 접촉 없이 작은 입자를 다루는 기술로, 생물물리학, 나노기술 및 포토닉스 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 이 기술은 세포, 분자, 그리고 세포 소기관과 같은 미세한 입자를 정밀하게 다룰 수 있어, 생물학에서는 세포나 단백질과 같은 물질을 조사하고 연구하는 데 유용하며, 물리학과 화학에서는 미세한 입자들의 상호작용을 연구하는 데 도움을 준다. 나노기술 분야에서는 나노구조물 조립을 통해 첨단 재료 개발 및 나노 스케일 장치 제작을 촉진한다. 그러나 이 기술은 여러 입자를 동시에 처리하기 어렵고, 고가의 대형 장비에 의존하기 때문에 효율적이고 유연한 운영에 제약이 따른다는 문제가 있다.

본 연구팀은 마이크론 스케일의 편광 다중화 메타표면 장치와 이를 통해 발생하는 소용돌이 쌍 빔(Vortex-pair beam)을 활용하여 하나 또는 두 개의 입자를 조작할 수 있는 기술을 개발하여 기존 문제를 해결하였다. 메타표면 소자는 빛의 진폭, 위상, 편광 등을 인위적으로 제어할 수 있는 나노광학 소자로, 파장보다 작은 크기의 구조체 배열로 이뤄져 있는 나노광학 플랫폼이다. 소용돌이 쌍 빔은 토폴로지 전하를 조정하여 갇힌 마이크로 입자의 수를 정밀하게 제어할 수 있다. 본 연구에서는 편광에 민감한 소용돌이 쌍 빔을 생성하고 편광을 조작하여 마이크론 단위의 여러 입자 조작이 가능한 광학 트래핑 기술을 성공적으로 시연하였다.

한편, 이번 연구는 교육부가 지원하는 이공분야 대학 중점연구소 지원사업과 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구자지원사업 등을 통해 수행되었다. 연구 결과는 그 성과를 인정받아 11월 21일, RSC (Royal society of chemistry)에서 발간하는 국제 저명 학술지인 Nanoscale (IF=6.7, JCR Rank: 16.6%)의 표지논문으로 선정되었다.

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