Overview

Universal Impedance Matching



빛의 반사는 광학의 기본 현상으로, 우리가 눈을 통해 대상을 볼 수 있는 근본 이유이다. 그러나 반사는 동시에 빛의 투과율 손실을 의미하므로 렌즈나 태양전지와 같은 광소자의 효율을 떨어뜨리는 걸림돌이 되기도 한다. 그러므로 빛 반사를 효과적 통제하는 것은 광학소자 기술, 에너지 산업, 군사장비 개발 등 다방면의 과학 기술 분야에서 매우 중요한 문제이다. 뉴턴이 얇은 막에서 나타나는 빛의 간섭을 관찰한 이래로 간섭을 이용한 반사와 투과 제어는 지난 수세기에 걸쳐 연구되어 왔다. 현재 무반사 코팅이나 나방 눈구조와 같이 빛 반사를 줄이기 위한 다양한 기술이 알려져 있지만 이 기술들은 특정 입사각이나 좁은 파장 범위에만 작동되는 한계가 있었다. 빛의 간섭은 파장과 입사각에 따라 달라지기 때문에, 간섭현상을 이용하여 입사조건(입사각, 파장, 편광)에 상관없이 매질내로 빛이 완전히 투과시키는 것은 이제껏 불가능하다고 여겨져 왔다.


본 연구진은 이 난제에 도전하였으며, 최근에 만능 임피던스 정합(Universal Impedance Matching; UIM) 이론을 확립함으로써 입사조건에 상관없이 빛의 완전 투과가 가능함을 증명하였다. 만능 임피던스 정합 이론은 특별한 비국소성(non-locality)을 갖는 매질을 무반사막으로 사용하는 이론이다. 보통 매질은 빛이 닿는 지점에서 그 지점의 빛에만 반응하지만 비국소성 매질은 떨어진 지점의 빛에도 모두 반응을 하는 매질이다. 이 매질은 빛의 입사각에 따라 굴절률이 변할 수 있어서 간섭을 이용하면서도 입사조건에 상관없이 빛의 완전 투과를 가능하게 하는 임피던스 정합이 가능하다. 일반적으로 자연에서 얻어지는 물질은 비국소성이 매우 약하게 나타나기 때문에 만능 임피던스 정합 이론이 요구하는 조건을 충족하기 어렵다. 본 연구진은 강한 비국소성을 갖는 물질의 대안으로 물결구조판을 활용한 간단한 형태의 메타물질(metamaterial)을 창안하였고 마이크로파 실험을 통해 이론이 옳음을 입증하였다.

만능 임피던스 정합 이론은 무반사막에만 국한되지 않고, 빛의 흡수, 그리고 매질의 빛 반응성에도 적용되는 이론이다. 빛의 반사, 흡수, 그리고 투과는 임피던스를 통해 기술될 수 있기에 일반적인 매질의 빛에 대한 반응성에 대해 요구되는 임피던스를 정할 수 있고, On-demand 임피던스 정합을 이루어 물질로 전달되는 빛 에너지 제어를 원하는 대로 할 수 있게 된다. 더 나아가 음파(Acoustic wave)와 물질파(Matter wave)에 대해서도 만능 임피던스 정합 이론을 적용할 수 있어 산업적으로 많이 사용되는 초음파 센서의 효율을 증가시킬 수 있고, 반도체와 구동 회로 사이에서의 접촉누손(Contact loss)를 줄여 전자장비의 발열을 제어할 수 있게 된다.

Patents
  • Q-Han Park; Won-Heum Han; ELECTROMAGNETIC WAVE ABSORBER, Korea Patent 10-2019-0033687, March 25, 2019.
  • Q-Han Park; Ku Im; Ji-Hun Kang; ANTI-REFLECTION COATING AND METHOD OF FORMING THE SAME, U.S. Patent 16/296,836, March 8, 2019.
  • Q-Han Park; Ku Im; Ji-Hun Kang; ANTI-REFLECTION COATING FILM AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, Korea Patent 10-2018-0107281, September 7, 2018.


  • Reference
  • Ku Im, Ji-Hun Kang, and Q-Han Park, "Universal impedance matching and the perfect transmission of white light", Nature Photonics 12, 143-149 (2018)
  • Kyoung-Ho Kim and Q-Han Park, "Perfect anti-reflection from first principles", Scientific Reports 3, 1062 (2013)
  • P. B. Clapham and M. C. Hutley, "Reduction of lens reflection by the ‘moth eye’ principle", Nature 244, 281–282 (1973).
  • M. Born and E. Wolf, "Principles of Optics" (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2003).
  • H. A. Macleod, "Thin-film Optical Filters" (McGraw-Hill, New York, 1989).