우리 연구실은 그래핀과 전이금속 칼코게나이드(TMDs) 등 다양한 2차원 소재의 전기적·광학적 특성을 심층적으로 연구하고, 이를 메타표면(metasurface)과 결합하여 혁신적인 광소자 개발에 주력하고 있습니다. 그래핀은 전기적 게이팅, 화학적 도핑, 광여기 등 다양한 방식으로 광전도도를 정밀하게 제어할 수 있어, 기존 금속 기반 메타표면과 차별화된 능동 제어가 가능합니다. 이러한 특성을 활용하여, 우리 연구실은 초박막, 초평탄 그래핀 메타표면을 설계하고, 다양한 메타원자 구조를 도입해 빛의 위상, 편광, 세기 등 광학적 특성을 동적으로 조절할 수 있는 플랫폼을 구축하고 있습니다. 특히, 그래핀 기반 메타표면은 테라헤르츠(THz) 및 적외선 영역에서의 능동 광소자 구현에 탁월한 장점을 보입니다. 예를 들어, 게이트 전압을 통해 메타표면의 공명 특성을 실시간으로 조절하거나, 비대칭 편광 변환, 위상 지연기, 빔 스플리터 등 다양한 기능성 소자를 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 차세대 통신, 고감도 센서, 집적 광회로 등 실용적 응용 분야로의 확장 가능성을 높이고 있습니다. 더불어, 우리 연구실은 그래핀-강유전체 하이브리드 구조를 이용한 비휘발성 메모리 메타소자, 논리 게이트 소자 등 새로운 정보 저장 및 처리 기술도 선도적으로 연구하고 있습니다. 이처럼 2차원 소재와 메타표면의 융합을 통해, 기존 광학 소자의 한계를 극복하고, 미래 광전자공학의 패러다임을 혁신하는 데 기여하고 있습니다.

테라헤르츠(THz) 영역은 비파괴, 비접촉, 고정밀 분석이 가능한 차세대 분광 및 센싱 기술의 핵심 주파수 대역입니다. 우리 연구실은 회절 한계를 극복하는 테라헤르츠 근접장 분광 시스템을 구축하여, 기존 원거리 분광법으로는 측정이 어려웠던 미세 영역 및 분자 수준의 물질 특성을 정밀하게 분석할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다. 특히, s-SNOM(산란형 근접장 광학현미경)과 포토컨덕티브 안테나 마이크로프로브 기반의 근접장 분광법을 도입하여, 2차원 소재, 위상물질, 단백질 등 다양한 시료의 전기적·광학적 특성을 마이크로미터 이하 해상도로 측정하고 있습니다. 이러한 테라헤르츠 근접장 기술은 초고감도 바이오센서, 분자 지문 인식, 신경질환(알츠하이머 등) 진단 등 다양한 응용 분야에서 혁신적인 성능을 발휘합니다. 예를 들어, 그래핀 기반 비허미션 메타표면을 활용한 테라헤르츠 치매 진단 센서는 단백질의 섬유화 상태를 비접촉 방식으로 실시간 판별할 수 있어, 기존 진단법 대비 민감도와 신뢰도를 크게 향상시킵니다. 또한, 메타표면 구조를 이용한 국소장 증폭 효과를 극대화하여, 극미량의 분자도 검출 가능한 초민감 센싱 플랫폼을 구현하고 있습니다. 더 나아가, 우리 연구실은 테라헤르츠 주파수 콤 측정, 광대역 편광자, 빔 스플리터 등 다양한 테라헤르츠 광학 소자 개발에도 앞장서고 있습니다. 이를 통해, 6G 통신, IoT, 차세대 바이오센서 등 첨단 산업 분야에서 요구되는 고성능 테라헤르츠 시스템의 핵심 원천기술을 확보하고 있습니다.

우리 연구실은 최근 광학계에서 주목받고 있는 비허미션(Non-Hermitian) 물리학을 메타표면 설계에 도입하여, 기존에 없던 새로운 광학 현상과 소자 기능을 실현하고 있습니다. 비허미션 시스템은 이득과 손실이 공존하는 환경에서 고유값과 고유상태가 동시에 합쳐지는 Exceptional Point(EP)라는 특이점을 가질 수 있으며, 이로 인해 극단적인 비대칭 편광 변환, 고감도 센싱, 위상 전이 등 다양한 현상이 나타납니다. 우리 연구실은 전기적으로 제어 가능한 그래핀 메타표면을 기반으로, EP에서의 완전 비대칭 편광 변환, 비정상적 위상 응답, 극대화된 원형 이색성 등 독창적인 광학 특성을 실험적으로 구현하였습니다. 이러한 비허미션 메타표면은 외부 자극(전기, 광 등)에 따라 동적으로 특성이 변화하므로, 차세대 광통신, 정보처리, 고감도 센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 특히, 비허미션 특성을 이용한 초고감도 바이오센싱은 미량의 생체분자도 정밀하게 검출할 수 있어, 의료 진단 및 환경 모니터링 분야에서 큰 파급효과가 기대됩니다. 또한, 우리 연구실은 비허미션 메타표면의 이론적 모델링, 실험적 검증, 실제 소자화까지 전주기적 연구를 수행하고 있습니다. 이를 통해, 기존 광학 소자의 한계를 뛰어넘는 새로운 기능성 광소자 및 시스템을 창출하고, 미래 광학 및 포토닉스 분야의 혁신을 선도하고 있습니다.