▲ 한양대 송석호 교수

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 9월 수상자로 한양대 물리학과 송석호 교수를 선정했다고 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만원을 수여하는 시상이다.

과기정통부와 연구재단은 송석호 교수가 ‘열린-양자역학계에서의 비대칭적 에너지 흐름’을 독창적으로 연구하여 기존 나노광학이 해결하지 못한 에너지 손실 문제와 처리 속도를 개선하고 신개념 광소자를 개발한 공로가 높이 평가되었다고 선정 배경을 설명했다.

열린-양자역학이란 닫힌-양자역학과 달리 운동상태의 총 에너지가 일정하게 보존되지 않고 시간에 따라 변하는 경우까지 다루는 학문분야를 말한다.

▲ 열린-양자역학 기반 새로운 개념의 광-다이오드 고안

나노광학 기술은 빛을 나노단위로 전송하는 고집적 광학회로 구성이 가능한 메타물질(자연계에 없는 물질의 특성을 만드는 인위적이고 반복적인 패턴 구조) 연구를 중심으로 발전해왔다. 하지만 빛을 파장 보다 작은 나노 단위로 줄이면 물질의 흡수특성에 의해 에너지 손실이 급격하게 증가하는 물리적 한계에 직면했다.

많은 연구자들이 에너지 손실을 해결하기 위해 손실을 보상하고 증폭하는 이득물질(gain medium)을 첨가하는 방법을 주로 사용했지만, 이들 물질이 나노 크기로 결합된 미세구조는 비선형적 특성을 보여 기존 나노광학 방식으로는 설계와 구현이 어려웠다.

▲ NAND 메모리 구조에 형성된 결함 검출방식 고안

송석호 교수는 열린-양자역학(open quantum mechanics) 시스템의 비-허미시안(non-Hermitian: 총 에너지가 시간에 따라 변화하는 특성을 나타내는 함수 값) 특성이 갖는 비대칭적 에너지 흐름원리를 나노광학 기술에 도입하고, 수학적 대칭성과 특이성을 광소자 기술에 적용해 에너지 손실 문제를 극복했다.

연구팀은 광도파로(빛이 이동하는 길)에 빛을 전송하면 양방향으로 빛에너지가 전달되는 공간적‧시간적 대칭성을 갖지만 열린-양자역학 이론을 적용시 광도파로에 에너지 손실이 발생하는 경우 대칭성이 붕괴되고 단방향으로 에너지 전달이 가능해지는 원리를 규명했다.

또한 이를 통해 광신호 흐름의 공간적‧시간적 대칭성을 붕괴할 수 있는 새로운 개념의 광다이오드를 실리콘 웨이퍼 상에 직접화된 소자형태로 구현하였다. 연구성과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 2018년 10월 게재됐다.

송석호 교수는 “기존 나노광학의 한계를 극복한 신개념 광소자는 앞으로 차세대 이동통신과 국가기간망 사업, 양자컴퓨터 개발 등에 활용이 가능할 것으로 기대된다.”라며 “앞으로도 나노광학 분야의 독창성 있는 연구를 통해 기존 난제를 해결하며 새로운 광과학 영역을 개척해 나가겠다.”라고 수상 소감을 밝혔다.