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    (연구자 인터뷰)

    연구자 인터뷰는 기계.건설공학 분야의 종사자의 추천 및 자체 선정을 통해 선발된 우수 연구진을
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    • 민범기 교수
      시공간 경계를 이용한 빛의 선형 주파수 변환 기술
      민범기 교수(KAIST 기계공학부)
      이메일:bmin at kaist.ac.kr
      장소:카이스트 N7 7102호
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    안녕하세요. 메트릭 회원 여러분!

    오늘 인터뷰에서 만나 보실 민범기 교수(KAIST 기계공학부)는 광학적인 시공간 경계를 이용해 빛의 색과 위상을 동시에 제어하는 기술을 개발하신 분입니다. 비선형 물질을 이용한 기존의 주파수 변환에서 벗어나 주로 개념으로만 진행되던 시공간 경계에서의 선형 주파수 변환에 관한 연구를 광학 물질을 이용해 실현 및 응용할 수 있는 단계로 발전시켰습니다. 그럼 교수님을 직접 찾아뵙고 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.




    1. 지금 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

    제가 하고 있는 연구는 자연계에서 보기 힘든 광학적 현상들을 볼 수 있도록 하는 인공적인 물질을 만드는 일을 하거든요. 주어진 여러 자연계 물질들이 있지 않습니까? 예를 들면 빛이 공기 중을 통과하고, 유리로 이루어진 물질도 통과하고, 반도체도 통과하면서 빛이 그 물질들과 상호작용을 하게 됩니다. 그런 광학적 물질은 보통 자연계 물질로 많이 만들어지는데요. 한 단계 더 나아가 인공적인 구조들로 빛이 진행하거나 아니면 빛이 그 물질과 상호작용하는 정도를 바꿀 수가 있는데 그러한 구조적인 물질을 메타물질이라고 합니다. 이러한 메타물질에 대해 자세히 연구를 하고 있습니다.


    2. 비선형 광학 현상은 빛 주파수 변환 소자의 핵심이라고 하는데요. 빛을 이용한 정밀측정과 통신기술에 유용하게 이용된다고 합니다. 이 부분에 대한 설명도 부탁드립니다.

    보통 빛의 세기가 약하면 자연계 물질들은 선형적인 응답을 보입니다. 예를 들면 빨간색 빛이 들어왔을 때, 매질을 투과하고 지나나가는 빛은 빨간색입니다. 빛의 세기가 강해지더라도 빛과 상호 작용하는 물질 자체가 빛의 주파수를 변화시키지 않는다면, 이 물질 자체를 선형적인 시스템이라고 생각할 수 있습니다. 그런데 만약 이 시스템이 광학적 비선형성을 가진다면, 특히, 빛의 세기가 굉장히 강해졌을 때는 빛의 주파수 변환과 같은 현상들이 벌어지는데요. 일반적인 경우, 강한 레이저빔이 물질과 반응을 할 때 물질이 비선형적인 특성을 나타내게 됩니다. 물질이 비선형적인 특성을 나타내게 되면 빨간색의 빛이 훨씬 짧은 파장의 빛으로 바뀔 수도 있고 여러가지 형태의 비선형적 광학 현상들이 일어나게 됩니다.


    3. 특수 미세 금속 구조를 반도체 표면 위에 제작해 기존보다 훨씬 높은 자유도를 갖는 시공간 경계를 개발하셨다고 하는데요. 쉽지 않을 것 같습니다. 과정에 대한 설명 부탁드립니다.

    비선형 광학을 이용한 주파수 변환과 시공간 경계를 이용한 주파수 변환은, 주파수 변환이라는 점에서 밀접한 연관이 있습니다. 비선형 물질을 이용할 때 주파수들이 변할 수 있다는 사실, 예를 들어서 다른 주파수를 갖는 두 개의 레이저 빛을 이차 비선형성을 가지는 물질에 입사시키면, 그것들이 합쳐진 주파수의 빛이 나오는 현상에 대해서는 이미 잘 알려져 있습니다.

    심지어는 이러한 비선형 현상의 관측은 굉장히 실용화, 상용화로 이어졌으며, 우리가 많이 보는 대량으로 판매하는 제품들은 아닐지라도 실험적인 측면에서는 굉장히 많은 응용이 되고 있습니다. 저희가 이번에 진행한 연구는 특별한 시공간 경계구조를 만들고, 시공간 경계구조를 이용하여 빛의 선형적 주파수 변환을 보였다는 게 비선형 광학을 이용한 주파수 변환과는 다른 점인데요. 사실 이에 관한 이론은 이전부터 있었습니다. 굉장히 좀 오래된 얘기 같지만 1960년대 초반에 선도적인 연구자들이 이론적으로 시간 경계하고 빛하고 서로 상호작용을 할 때 어떤 일들이 벌어지는가에 관해 연구를 했었어요.

    일단 공간경계에 대해서 말씀을 드릴게요. 빛의 입장에서 봤을 때 공간경계가 무엇이냐면 예를 들어서 빛이 공기 중에서 전파하고 있다가 갑자기 어떤 유리로 된 창문에 입사되었어요. 그러면 공간적으로 공기의 광학적 특성과 유리의 광학적 특성이 다르기 때문에 그러한 경계를 공간적 경계라고 합니다. 빛이 약간 각도를 가지고 들어왔을 때 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해서 빛의 진행 방향이 공간적 경계에서 바뀌는 것은 고등학교 때도 배웁니다. 공기와 유리간의 경계를 공간적 경계라고 합니다. 광학적 물성이 공간적으로 딱 경계가 지어지면 이걸 공간적 경계라고 합니다.

    시간적 경계를 예를 들어 설명하자면, 처음에는 유리의 굴절률이 n1이었는데 갑자기 어떤 특정한 시간에 유리의 굴절률이 n2라는 다른 값으로 갑작스럽게 변화되면, 그 특정한 시간에 그 광학적 물성이 바뀌었기 때문에 이를 시간적 경계라고 부릅니다.

    시공간적 경계라는 것은 시간적인 경계도 있으면서 공간적인 경계도 있는 거죠. 예를 들어, 빛이 어떤 물질로 입사되어 들어올 때 공간적 경계를 지나가게 되는데, 이에 더해 빛이 물질을 지나가는 도중 그 물질의 물성이 시간적으로도 갑자기 바꾸는 거죠. 그런 것들을 우리가 시공간적 경계라고 합니다. 각각, Temporal Boundary(시간적 경계), Spatial Boundary(공간적 경계)라고 일컫습니다.

    시간적인 경계를 빛이 지나갈 때 어떤 현상들이 벌어지는가는 말씀드린 대로 이미 1960년대 초반부터 이론적으로 연구가 됐었어요. 하지만, 과거에는 시간적인 경계면을 제대로 잘 디자인된 실험 환경에서 구현해서 실제적으로 어떤 일들이 벌어지는지 실험적으로 보이는 것들이 굉장히 힘들었던 거죠. 기존의 이론적인 연구에서 밝혀진 게 뭐냐면 선형적인 광학 매질에서 시간 경계면이 존재하는 경우 그 빛의 주파수가 변화할 수 있다는 거였어요. 시간경계면을 지나갈 때 빛의 주파수가 변화할 수 있다는 거였는데요. 가장 초기 이론적인 연구가 발표되고 몇 년 뒤에 레이저가 개발됐습니다. 레이저가 개발되면서 강한 세기의 빛을 자유롭게 생성할 수 있게 되었습니다. 그 강한 세기의 빛 때문에 사람들이 비선형 현상을 더 잘 볼 수 있게 되었습니다. 따라서, 그 이후 비선형 물질에서 빛의 주파수 변환이 굉장히 연구가 잘 되었습니다.

    비선형 광학이란 분야는 엄청나게 큰 분야입니다. 많은 사람들이 이 분야의 연구를 통하여 노벨상을 수상하기도 했고요. 비선형 광학 분야는 계속해서 넓어지고, 심지어는 상용화 그리고 실용화까지 연결된 겁니다. 하지만 시간경계를 이용한 주파수 변환이 장점도 있을 수 있지만 구현하기 힘들다는 단점도 있거든요. 따라서, 다양한 가능성과 레이저의 개발에 힘입어 비선형광학이란 분야는 계속해서 커간 거구요. 시간 경계를 이용한 광학 분야는 오히려 실현하기도 힘들고 사람들의 관심도 별로 없으니까 1960~1970년대까지 계속해서 연구되어오다가 관심이 줄어들게 되었습니다. 현재에 이르러서야 기술이 많이 개발되어 시간적으로 급작스럽게 광학적 물성을 바꾸는 것들이 좀 쉬워지면서 다시 2000년대 초반이나 2010년경을 넘어서부터 다시 시간 경계와 빛의 상호작용에 관한 연구들이 재조명 받기 시작했습니다.

    시간 경계와 빛의 상호작용을 실험적으로 보이려면 그에 맞는 실험적인 플랫폼들이 필요합니다. 최근에 이르러서야 플랫폼들이 구체적으로 연구가 되기 시작한 거죠. 특히, 메타물질은 그 장점이 우리가 마음대로 어떤 광학적 특성을 마음대로 조절할 수 있다는 거였잖아요. 이러한 메타물질 플랫폼에서 시공간 경계를 구현함으로써 변환된 빛의 주파수를 선택을 할 수가 있다던가 아니면 더 나아가 변환된 주파수 빛의 위상도 변화를 시킬 수 있는 등, 메타물질을 시간 경계의 플랫폼으로 이용하게 되면 굉장히 자유도가 높아질수 있습니다.




    4. 시공간 경계를 이용한 빛의 선형 주파수 변환 기술이 왜 일어나는가요?

    약간 더 근원적으로 가면 좀 전에 말씀드린 공간적 경계부터 얘기를 해보면 좋을 것 같은데요. 빛의 에너지는 빛의 주파수와 연관이 있습니다. 빛을 광자로 설명을 하면 광자의 에너지는 하바와 오메가(Ω)의 곱으로 나타내지거든요. 여기서 하바는 플랑크상수(Planck Constant)를 2π로 나눈 것이고, 오메가(Ω)는 빛의 각주파수(Angular Frequency)를 의미합니다. 빛의 주파수하고 결국 에너지하고 연관이 되어있는 건데 빛이 공간적 경계면을 지나갈 때에는 빛의 에너지는 보존이 되는데 빛의 운동량(Momentum)은 보존이 되지는 않습니다. 조금 더 자세히 말하자면, 공간 경계면 방향의 빛의 운동량은 보존이 되지만 공간 경계면과 수직한 방향의 운동량은 보존되지 않습니다. 그런데, 시간적인 경계면에서는 이것과 반대되는 현상이 일어납니다. 시간적 경계면을 빛이 지나가게 되면 그 시간적 경계면에서는 빛의 운동량은 보존 되지만 빛의 오메가, 즉 각주파수는 변할 수가 있게 되거든요. 이는 어떤 물리적 시스템의 대칭성(Symmetry)과 보존량의 관계에서 오는 보다 근원적인 원리에 입각하고 있습니다.



    5. 어떤 분야에서 활용이 될 수 있을지 궁금합니다.

    어떤 분야에서 직접적으로 활용이 될 수 있다라고 말하기 보다는 이런 현상들이 실제로 일어날 수 있고 이러한 주파수 변환 방법도 사람들이 한번 생각해봤으면 좋겠다고 하는 게 제 생각이구요. 비선형 주파수 변환과 비교를 했을 때 물론 단점도 많지만 장점이 있기 때문에 그 장점을 살릴 수 있는 분야라면 충분히 원론적인 연구에서 벗어나서 소자를 만든다거나 이런 것들을 생각해볼 수 있을 것 같아요.


    6. 선형 주파수 변환 기술이 가진 장단점을 비선형주파수 기술이 가진 장단점과 비교해서 설명해 주십시오.

    비선형 광학을 이용한 주파수 변환기술은 매우 오랫동안 굉장히 많이 연구되어 있습니다. 비선형 효과라는 것도 더 구체적으로는 2차 비선형 효과, 3차 비선형 효과 등이 있고 이를 이용하여 다양한 주파수들을 어떻게 하면 효율적으로 뽑아낼 수 있는지 이런 것들이 굉장히 잘 연구가 되어 있습니다. 하지만 다시 되돌아가서 질문을 해보면 비선형 주파수 변환을 위해 강한 레이저빔이 필요하다고 말씀을 드렸잖아요. 첫 번째로, 강한 레이저빔이 없는 경우가 있을 수 있습니다. 주파수 대역에 따라서 강한 빛 혹은 전자기파가 없을 수 있습니다. 그러한 주파수 대역에서는 이러한 비선형성을 이용한 주파수 변환 자체가 굉장히 힘든 상황입니다. 그에 비해서 시간경계면을 이용한 주파수변환 같은 경우는 빛의 세기가 약해도 된다고 말씀을 드렸잖아요. 시간 경계면을 이용하는 경우, 빛의 세기가 굉장히 약한 광원들을 가지고도 빛을 다른 주파수로 변환을 할 수가 있는 거죠. 하지만 단점도 존재하는데요. 시간경계면이라는 것은 어떤 시간에서 갑작스럽게 매질의 광학적 물성이 변하는 것이고 빛이 그 시간 근처에서 이 물질과 상호작용을 할 때 주파수 변환된 빛이 나오는 것이기 때문에 저희의 주파수 변환기술은 그 짧은 타이밍에서만 동작하는 것이기 때문에 시간 영역에서 지속적으로 주파수 변환된 빛을 생성할 수는 없어요. 그런 것들이 단점이 되겠죠.


    7. 연구를 진행하면서 어려운 점이 있으셨을 거 같은데, 어려운 점은 어떤 점이 있으셨는지 어떻게 해결하셨는지 궁금합니다.

    사실은 처음에 저희가 소자 설계를 하고, 그 다음 소자를 제작하고 측정하면서 하려고 했던 실험이 이 실험이 아닙니다. 이걸 알고 시작한 게 아니죠. 그런데 이 소자를 만들어서 실험을 하다보니까 우리가 원했던 것은 나오지가 않고 전혀 제가 해석할 수 없는 데이터들만 나오더라고요. 그래서 이게 무엇인지 그때부터 생각하기 시작한 거죠.
    연구 결과가 발표된 것은 작년 말이지만 처음에 실험을 하고 데이터를 얻기 시작한건 대략 4년 정도 전인 것 같아요. 다른 현상을 보려고 소자를 만들긴 했지만, 지금 와서 되돌아보면 물질의 광학적 특성이 갑작스럽게 변하는 시간 경계면을 보일 수 있는 소자를 만들었던 거죠. 그런 소자를 만들고 실험을 하는데 이해할 수 없는 데이터가 나와서 이게 무엇인가를 아는 데에만 1~2년 정도 걸렸던 거 같아요. 지금은 이 현상에 대한 이해가 명확히 되고 논문까지 작성할 수 있게 되었지만, 그 당시 한 1년 정도는 도대체 이게 무슨 현상인지 몰라서 꽤 많이 헤맸습니다. 이것을 알기 위해 차근차근 뒤로 가면서 찾아보니 좀 전에 말씀 드렸던 1960년대 논문들까지 찾아보게 되었습니다. 그 논문들에 대한 이해로부터 차차 저희가 하던 실험에 대한 이해들도 생기게 되었습니다. 그런 이해가 생긴 이후, 데이터들을 어떻게 해석을 해야 되는지 알게 되고, 더 나아가 다음 우리가 소자를 어떻게 만들면 조금 더 높은 자유도의 주파수 변환을 할 수 있는지를 생각하게 된 거죠. 결과적으로 굉장히 오래 걸려 수행한 연구였습니다.


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    8. 이 기술에 대한 국내 상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면 어떤 실정인가요?

    기존의 연구들은 거의 다 전부 이론적인 연구들이었습니다. 왜냐하면, 말씀드린대로 실험적으로 구현할 수 있는 상황들이 아니었던 것 같고 처음 이론적인 연구들이 발표되었을 때 당시 그렇게 연구자들의 큰 관심을 끌지 못했기 때문입니다. 더불어, 비선형 광학이 급속도로 발달한 것도 시간 경계에 관한 연구가 활성화되지 못한 원인이 된 것 같습니다. 연구동향은 1960년대 이후에 연구가 계속되다가 어느 시점을 기준으로 거의 연구의 명맥이 끊겼습니다. 이후, 2000년, 2010년대부터 몇몇 연구자가 다시 이에 관한 이론 연구를 하기 시작했어요. 1960년대에 진행되었던 그 연구를 거의 똑같이 재해석하면서 새로이 연구가 시작되었습니다. 2010년 정도를 넘어서부터 국외에서 소수의 대가들이 관심을 갖기 시작했어요. 그럼에도 불구하고 이 분야는 현재 굉장히 초기 연구 단계입니다. 좀 전에 저희가 선형 주파수 변환을 위한 플랫폼을 시공간 경계 메타물질을 만들어서 구현했다고 했는데 그럼에도 불구하고 이러한 물질을 자유롭게 만드는 것이 현재에도 좀 힘들어요. 그리고 국내에서는 아직 이 분야에 관심을 가진 연구자들이 많지 않습니다. 이유는 사실 저희 분야 자체가 좀 좁은 이유도 있습니다. 저희 분야 자체가 광학이라는 분야에서도 굉장히 작은 분야이기 때문에 연구자 수가 그렇게 많지는 않아요. 그러한 연구자 중에서 특별히 이러한 연구를 하는 사람은 국내에는 제가 알기로는 지금 현재는 거의 저 혼자인 것으로 알고 있어요.




    9. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

    공간 경계에 대해서는 굉장히 많은 사람들이 연구를 했어요. 그리고 그 결과 나온 것들이 재밌는 물리적인 현상과 재밌는 소자들의 개발로 이어졌습니다. 가장 간단한 공간 경계 소자의 예를 들면, 공간경계를 반복해서 만드는 것입니다. 굴절률로 말씀을 드릴게요. 굴절률이 n1인 물질이 있고, 그 위에 굴절률이 n2인 물질을 올리고, 그 위에 다시 굴절률이 n1인 물질을 올리고, 그 위에 다시 n2인 물질을 올리는 식으로 주기적으로 쌓게 되면 광자에 대하여 밴드라는 것이 나오게 됩니다. 더 나아가 광자에 대한 밴드 갭(Band Gap)을 구현할 수 있습니다. 밴드라는 개념은 사실은 고체물리에서 생긴 것으로 주기적으로 원자들이 배열되어 있을 때 전자들이 가질 수 있는 에너지와 운동량의 값들과 관련되어 있습니다.

    이러한 고체에서의 밴드 구조와 밴드 갭을 모사해서 광학에서도 서로 다른 광학적인 물질을 주기적으로 쌓음으로써 광결정(Photonic Crystal)이라는 것을 만들어요. 고체의 결정이라고 하는 것에 대응하는, 광학적인 결정(Photonic Crystal)인 것이죠. 지난 30여년간 많은 연구자들이 광결정(Photonic Crystal)을 제작하고 이에 대한 많은 연구가 되었는데요.

    간단하게 말씀드리면 좀 전에 말씀드린 광결정을 잘 이용하는 경우, 빛의 에너지 축에서 밴드 갭이 열리고 다양한 소자들의 제작에 그 밴드 갭이 굉장히 중요한 역할을 하거든요. 밴드 갭을 이용해서 다양한 광소자들이 만들어지고 다양한 물리적 현상들이 관측이 됐는데요. 저는 시간적인 경계면을 주기성을 가지고 반복함으로써 다른 현상들을 보고자 합니다. 이론적인 결과는 지금도 알려져 있습니다. 이것도 심지어 1960년대부터 알려진 이론인데요. 시간영역에서 시간 경계면이 주기적으로 존재하는 경우, 어떤 일들이 벌어지는가 하면, 광자에 대해서 운동량 축에서 밴드 갭이 생기게 됩니다. 저는 이러한 운동량 밴드 갭을 가지는 새로운 광학적 매질을 만들어보고 싶어요.

    이러한 매질을 만들 수 있다면 광결정의 경우와는 사뭇 다른 다른 효과들이 일어나더라고요. 최근에도 계속 연구를 하고 있는데 운동량 밴드 갭 사이에서 존재하는 빛은 그 세기의 증폭이 일어나게 됩니다. 에너지 밴드 갭의 경우, 밴드 갭에 해당하는 주파수를 갖는 빛은 그 물질 안에서 사실상 존재할 수가 없거든요. 그런데 특이하게도 운동량 밴드 갭 물질의 경우에는 굉장히 좀 재미있는 것이 오히려 그 밴드 갭에 해당하는 에너지와 운동량을 가지는 빛의 세기가 증폭됩니다. 이러한 것들이 아직까지 실험적으로 증명되지 않았습니다. 따라서, 현재는 이를 실험적으로 증명하는 것을 목표로 삼아 연구하고 있습니다. 제 생각에는 이것을 보이는 것 역시 몇 년 이상 걸릴 것 같아요.<


    10. 지금 이 영상을 보고 공부하고자 하는 학생들이 많을 것 같은데요. 그 분들에게 조언 부탁드리겠습니다.

    특히, 학부 학생들을 만나다 보면 본인의 관심사나 적성이 맞지 않을지라도, 인공지능 분야가 뜨는 추세에 맞춰 전자과 혹은 전산과 가서 인공지능 관련 연구를 하겠다는 학생들을 많이 보게 됩니다. 제가 짧지만 한 20년 조금 넘게 연구를 해오면서 느꼈던 점은, 사실 어떤 분야가 뜨고 어떤 분야가 지며, 내가 하고 있는 것이 쓸데가 없고, 혹은 있는지를 판단하기에는 그 당시에 상황만 봐서는 모른다는 것입니다. 제 생각에는 학생들이 너무 시류의 흐름에 따라서, 내가 원래 하고 싶은 게 이거였는데 지금은 이 분야가 뜨니까 이것을 해야 되겠다 하고 휩쓸리는 것 같아요. 사실 제 개인적인 생각으론 이미 뜬 상태에서 그 분야에 들어갔을 땐 이미 늦어요. 그 분야의 혜택을 받는 세대는, 그 이전에 아무도 관심이 없고 그 분야의 초기 단계였을 때 이미 그 분야에 들어가서 그때부터 연구를 시작한 사람들입니다. 학생들에게 해 주고 싶은 이야기는 분야에 상관없이, 내가 이걸 몰라서 내가 궁금해서 내가 파서 내가 알아야겠다는 생각을 가졌으면 합니다. 그렇게 학생들이 재밌는 것을 깊이 파다보면 비록 작은 분야일지라도 그 분야에서 탑이 될 수 있다고 말해주고 싶어요. 하고 싶은 연구를 하되 근원적인 질문을 하면서 자기 하고 싶은 것을 계속해서 파 들어가는 것이 제일 중요할 것 같습니다.






     

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