연구실에서 최근에 진행되고 있는 관심 연구 분야
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나노포토닉스 및 메타표면 기반 차세대 광소자 개발
김수진 연구실은 나노포토닉스와 메타표면 기술을 활용하여 차세대 광소자 및 광센서 개발에 주력하고 있습니다. 나노포토닉스는 빛의 파장보다 작은 나노미터 크기의 구조체를 설계·제작하여 빛의 전파, 흡수, 산란, 편광 등 다양한 광학적 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 첨단 분야입니다. 메타표면은 2차원 평면상에 배열된 나노 구조체로, 기존의 부피가 큰 광학 소자 대신 초박막·초경량의 광학 기능을 구현할 수 있습니다. 이러한 기술을 바탕으로 연구실은 실리콘, 금속, 유전체 등 다양한 소재를 활용하여 광자 스핀 제어, 위상 조절, 파장 선택적 필터링 등 고도화된 광학 기능을 실현하고 있습니다. 특히, 연구실은 단일 또는 다층 메타표면을 이용해 빛의 위상과 파면을 자유롭게 조절하는 기술을 개발하고 있습니다. 이를 통해 초박막 렌즈, 초고해상도 이미징, 홀로그램 디스플레이, 빔 스티어링 등 다양한 응용 분야에 적용 가능한 혁신적인 광소자를 제작하고 있습니다. 최근에는 단일 리소그래피 공정만으로 이중층 메타표면을 구현하여, 기존 대비 제작 공정의 단순화와 성능 향상을 동시에 달성하였습니다. 이와 같은 연구는 광학 소자의 집적화, 경량화, 저비용화에 크게 기여하고 있습니다. 나아가, 연구실은 메타표면 기반 광센서, 분광기, 이미지 센서 등 실용적인 응용을 목표로 연구를 확장하고 있습니다. 예를 들어, 나노구조 기반 컬러 라우터를 통해 가시광선 및 근적외선 영역에서의 고효율 스펙트럼 분리와 감도를 실현하였으며, 이를 이미지 센서에 적용하여 기존 컬러 필터 시스템을 뛰어넘는 성능을 입증하였습니다. 이러한 연구는 차세대 IoT 센서, 바이오 센서, 에너지 하베스팅 등 다양한 분야에서 혁신적인 광소자 개발의 기반이 되고 있습니다.
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능동 제어 및 고기능 광센서·이미지 센서 기술
김수진 연구실은 능동적으로 빛을 제어할 수 있는 광센서 및 이미지 센서 기술 개발에 집중하고 있습니다. 기존의 광센서 및 이미지 센서는 주로 수동적인 구조에 의존하였으나, 본 연구실은 전기적, 광학적, 구조적 변조가 가능한 능동형 메타표면 및 나노소자를 설계하여, 빛의 위상, 편광, 파장, 세기 등을 실시간으로 조절할 수 있는 차세대 센서 플랫폼을 제시하고 있습니다. 예를 들어, InAs 기반의 금속-절연체-금속(MIM) 구조를 활용한 전기적으로 조절 가능한 메타표면을 개발하여, 외부 전압 인가만으로 반사광의 위상과 세기를 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 구현하였습니다. 또한, 연구실은 비국소 공진 기반의 카이랄(Chiral) 메타표면을 이용해 원편광 빛의 검출 및 스톡스 파라미터 직접 측정이 가능한 고성능 편광 센서를 개발하였습니다. 이러한 기술은 기존의 복잡한 광학계 없이도 초소형·초박막 센서로 빛의 편광 정보를 정밀하게 측정할 수 있어, 바이오 센서, 통신, 이미징 등 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 더불어, 실리콘 기반의 초고감도 포토디텍터, 유기 포토메모리 트랜지스터를 활용한 반구형 이미지 센서 등도 연구실의 주요 성과로, 고해상도, 넓은 시야각, 저전력 동작 등 차별화된 특성을 보유하고 있습니다. 이와 같은 능동 제어 및 고기능 센서 기술은 IoT, 자율주행, 바이오 진단, 스마트 디스플레이 등 미래 산업의 핵심 인프라로 주목받고 있습니다. 김수진 연구실은 나노소자 설계, 소재 공정, 집적화 기술, 시스템 응용까지 전주기적 연구를 수행하며, 차세대 광센서 및 이미지 센서 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하고 있습니다.
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에너지 하베스팅 및 광-열 변환을 위한 나노소자 연구
연구실은 빛과 열의 상호작용을 극대화하여 에너지 하베스팅 및 광-열 변환 효율을 높이는 나노소자 개발에도 활발히 참여하고 있습니다. 최근에는 페로브스카이트 산화물(La:BaSnO3) 등 고온에서도 안정적인 근영점 굴절률(NZI) 소재를 활용하여, 고온 환경에서의 선택적 열 방출 및 에너지 변환이 가능한 나노구조를 구현하였습니다. 이러한 소재는 1000도 이상의 고온에서도 구조적·광학적 안정성을 유지하며, 금속-절연체-금속(MIM) 나노캐비티와 결합하여 좁은 대역의 열 방출을 실현함으로써, 고효율 에너지 변환 및 열 관리 시스템에 적용할 수 있습니다. 또한, 연구실은 미에(Mie) 공명, 플라즈모닉 공명 등 다양한 광학적 현상을 활용하여 태양광 집광, 광촉매, 광전소자 등에서의 빛 흡수 및 변환 효율을 극대화하는 연구를 수행하고 있습니다. 예를 들어, 나노구조 기반의 초박막 메타필름을 설계하여, 특정 파장에서 거의 완벽한 흡수를 실현하거나, 빛의 경로를 효과적으로 제어하여 유기 태양전지의 효율을 높이는 기술을 개발하였습니다. 이러한 연구는 에너지 하베스팅, 광-열 변환, 신재생에너지 분야에서 실질적인 파급 효과를 기대할 수 있습니다. 연구실은 이외에도 카본 나노튜브 기반의 콜드 캐소드 X-선 튜브, 광자 스핀 제어를 통한 메타표면 개발 등 다양한 에너지 및 광-열 융합 소자 연구를 진행하고 있습니다. 이러한 다각적인 연구는 미래 에너지 기술의 혁신과 지속가능한 발전에 기여하고 있습니다.