메타물질이란 일반적으로 자연계에 존재하지 않는 물질의 성질을 구현하기 위해서 인위적으로 고안된 새로운 소재를 통칭하는 개념으로써, 1990년대 후반 ‘음의 굴절률’을 가지는 물질이 금속과 유전체의 복합체로 구현 가능하다는 것이 처음으로 입증되면서 그 연구가 가속화 되었다. 메타물질을 구성하는 기본 단위원자의 구조가 입사되는 파장에 비해 아주 작은 경우, 굴절률과 같은 물질의 전자기적 특성을 유효한 값으로 정의할 수 있게 되고, 물질의 조성보다는 구조나 배열에 의해서 그 특성의 결정된다. 이와 같은 원리에 기인하여 메타물질은 지난 십여 년간 회절한계를 극복할 수 있는 슈퍼렌즈, 빛을 100%에 가깝게 흡수하는 완전 흡수체, 전자기파나 빛의 경로를 자유롭게 조절 가능한 변환광학의 페러다임으로 자리매김해 왔으며, 각각 차세대 리소그래피 장비, 고성능 태양전지와 센서, 신개념 클로킹 소자 등에 응용될 수 있어 물리, 재료, 전자, 기계, 광학, 나노 및 바이오 기술 등 다양한 분야에 걸쳐 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 메타물질의 유효 성질은 수 헤르츠에서 수백 테라헤르츠 영역을 아우르는 음파, 전자파 및 광파의 거의 모든 대역에서 적용 가능하며, 그 중 마이크로 파와 적외선 사이에 위치한 테라헤르츠 파는 최근 광원과 수광자의 개발로 초고속 정보통신기술, 보안 시스템, 비파괴 검사, 및 바이오 이미징 응용 등에 있어 중요한 의미를 가지고 있다. 하지만 자연계의 대부분의 물질이 테레헤르츠 광원에 민감하게 반응하지 못하기 때문에 전자 및 광통신 분야에서처럼 실생활에 응용되기 위해서는 테라헤르츠 파를 능동적으로 제어할 수 있는 새로운 시스템의 개발이 시급하다.
본 연구에서는 금속으로 만들어진 인공원자의 상호간의 분극률을 극대화 함으로써 테라헤르츠 영역에서 작동하는 고굴절률 메타물질을 개발하였다. 자연계에 일반적으로 존재하는 물질의 단위 원자의 경우, 최소 위치에너지 법칙에 따라 상호 원자간의 위치가 결정되기 때문에 분극률이 제한된다는 것에 착안하여 메타물질의 인공 원자간의 거리를 원자크기의 천분의 일 이하로 줄일 수 있다면 분극률이 극대화되어 굴절률이 증가할 것으로 기대하였다. 마이크로 팹과 나노리소그래피 기술을 이용하여 아주 넓은 면적의 유연한 메타물질을 제작하였으며, 이것이 38.6 이라는 아주 높은 굴절률을 가지는 것을 실험적으로 증명하였다. 제안된 고 굴절률 메타물질은 그 동안 음굴절률 구현에만 집중되어온 메타물질 연구의 영역과 굴절률의 공간상의 변화를 이용하는 변환광학 연구 영역을 넓힐 수 있을뿐더러, 다양한 파장 이하의 광소자에 적용가능 할 것으로 기대된다.
다음으로 높은 굴절률을 가지는 메타물질의 성질을 능동적으로 조절하기 위해서 단일 탄소 원자층으로 이루어진 그래핀이라는 이차원 물질을 추가 결합하여 능동형 그래핀 메타물질을 개발하였다. 디락점에서의 선형적인 에너지-운동량 전자밴드구조 덕분에 그래핀이 에너지가 낮은 테라헤르츠 광원에 민감하게 반응한다는 특성을 이용하여 메타물질을 통과하는 테라헤르츠 파의 세기(47%)와 위상(32.2º)을 상온에서 전기적으로 제어할 수 있었다. 흥미롭게도 그래핀 연구에서 잘 알려진 게이트 전압에 따른 이력현상 때문에 테라헤르츠 투과도를 기억할 수 있는 광 메모리 효과가 그래핀 메타물질에서 발생하는 것을 실험적으로 확인하였다. 더불어 실제적인 응용 소자로 적용 가능함을 증명하기 위해, 메타원자의 모양을 변경하여 광대역에서 작동하는 테라헤르츠 광변조기를 구현하였고, 전기적 방법으로 현존하는 테라헤르츠 광변조기 중에 가장 우수한 성능을 가진다는 것을 증명하였다.
마지막으로 그래핀의 광학적인 전도도를 결정하는 페르미 준위를 전기 및 광학적인 방법으로 조절하여 그래핀 메타물질의 굴절률을 초고속으로 변조 시킬 수 있음을 밝혔다. 그 결과 -3.4라는 아주 높은 굴절률 변화량을 가졌으며, 이 수치는 광고분자나 비선형 결정체에서 현재까지 보고되었던 가장 큰 값에 비해 10배 이상의 변화 폭을 나타내었다. 또한 광 펌핑을 이용한 초고속 테라헤르츠 분광기를 이용하여 그래핀 메타물질에서 전하 운반자의 초고속 동역학을 연구하여 10 피코초 이하의 아주 짧은 전자-전공 재결합 시간을 가지는 것을 실증하였고, 광포논에 의한 산란이 초기 에너지 완화의 중요한 메커니즘인 것을 밝혔다. 본 연구에서 제안한 다양한 기능을 가지는 그래핀 메타물질은 테라헤르츠 광원의 세기 및 위상 변조기, 광 메모리 소자 등의 다양한 광소자 응용에서부터 이미지나 홀로그램 시스템 등의 다양한 테라헤르츠 광학기술에 응용 가능할 것으로 기대된다.
