광주과학기술원(GIST)은 기철식 고등광기술연구소 광응용시스템연구부 수석연구원과 김성한 박사후연구원이 양의 유전율을 갖는 물질을 포함하는 완전 전기 도체(PEC)와 완전 자기 도체(PMC) 평행판 도파관을 연결해 형성된 PEC-PMC 경계에 새로운 표면 전자기파가 존재한다는 사실을 발견했다고 7일 밝혔다.
이는 표면 전자기파가 음의 유전율을 갖는 물질과 양의 유전율을 갖는 물질이 이루는 경계에만 존재한다는 기존 물리학적 지식의 틀을 깬 것이다. 이례적 환경에서는 양의 유전율을 갖는 물질로 이뤄진 경계에서도 표면 전자기파가 존재할 수 있음을 최초로 확인한 것이다.
PEC는 표면에 나란한 전기장 성분이 없는 이상적인 물질로 보통 전도도가 높은 금속이 낮은 주파수의 전자기파에 대해 효과적으로 기능한다. PMC는 표면에 나란한 자기장 성분이 없는 이상적인 물질로 자연상에 존재하지 않지만, 인위적으로 만든 구조물이 특정 주파수 영역에서 기능한다. 평행판 도파관은 일정한 간격으로 떼어진 같은 두 PEC나 PMC 플레이트로 이뤄진 구조로 두 판들 사이로 전자기파가 전파한다.
연구팀은 이론적 모드 분석과 수치해석을 통해 PEC-PMC 경계에서 새로운 표면 전자기파의 존재를 증명하고 통상적으로 표면 전자기파 발생에 사용되는 프리즘 결합 실험을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현해 PEC-PMC 경계에서 새로운 표면 전자기파의 발생을 검증했다. PEC-PMC 경계에서는 자유전자가 존재하지 않는데도 불구, 새로 발견된 표면 전자기파의 특성은 금속의 자유전자로부터 유발되는 표면 플라즈몬과 유사성이 있다는 사실도 밝혔다.
연구팀은 이를 토대로 원형으로 닫힌 PEC-PMC 경계에만 강하게 에너지가 집중되는 새로운 표면 전자기파의 공명모드가 존재한다는 것도 확인했다. 이차원으로 배열된 사각 금속 막대를 사용해 특정 주파수 범위 내에서 자기 도체로 작동할 수 있는 실제로 제작 가능한 구조를 제안하고 그 구조의 표면에서 새로운 표면 전자기파의 존재와 발생을 입증했다.
기철식 수석연구원은 “이번 연구 성과는 표면 전자기파의 생성 조건에 대한 지식을 확장하는 한편, 전자기 현상에 대하여 보다 깊은 이해를 가능하게 했다는 데 학문적인 의의가 있다”면서 “기존의 표면 전자기파를 이용한 바이오 센서, 고해상도 이미징 등 다양한 분야에 새로운 표면 전자기파도 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
