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제목 MSDE학과 윤관호 교수, 메타물질 설계 프로그램 개발 및 무료 배포
작성자 홍보실 조회수 496 날짜 2021-05-04
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서울과학기술대학교(총장 이동훈) MSDE학과 윤관호 교수가 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 노준석 교수 연구팀과 공동으로 메타물질 설계에 최적화된 시뮬레이션 프로그램(MAXIM)을 개발해  온라인을 통해 무료로 배포하였다. 이는 가격이 비싸고 계산 안정성이 낮은 기존의 상용 전자기파 시뮬레이션 소프트웨어의 한계를 극복하는 연구성과로써 메타물질 설계 시간 단축과 더불어 메타물질 연구분야의 발전에 크게 이바지할 수 있다는 가능성을 인정받아 세계적인 학술지 Computer Physics Communications (IF=3.627, JCR 상위 5% in Mathematical Physics)에 개발된 소프트웨어 패키지와 함께 2021년 3월 10일 온라인 발표되었다.

 

 

 

 

 

 

메타물질이란 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공원자로 이루어진 새로운 물질로써 기존의 물질이 제공하지 못하는 음굴절 및 초고굴절 등 다양한 광특성을 자유자재로 제어할 수 있어 초박막 평면렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토와 같은 이전에 없던 새로운 광학 디바이스를 구현할 수 있기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 인공원자란 빛의 파장보다 작은 크기의 구조체를 말하며 일반적인 가시광선에서 작동하는 메타물질의 경우 1 마이크로미터 이하 수백 나노미터 크기의 구조체(이하 ‘나노구조체’)의 규칙적인 배열을 통해 제작된다. 렌즈를 비롯한 기존의 광소자는 주로 매질의 경계면에서 발생하는 굴절을 통해 빛을 제어하기 때문에 조절가능한 빛의 특성이 제한적이다. 반면, 메타물질의 경우 이를 구성하는 개별 나노구조체에 의한 산란에 의해 빛을 제어하기 때문에 나노구조체의 물리적인 형상에 따라 다양한 광특성을 자유자재로 조절할 수 있어 기존 광소자의 한계를 극복하거나 이전에 없던 새로운 광소자를 구현할 수 있다.

 

메타물질을 설계하기 위해서는 원하는 광특성에 대응하는 개별 나노구조체의 형상을 계산해야되나 이에 대한 수학적인 해가 아직 밝혀지지 않았기 때문에 메타물질 연구분야에서는 이에 대한 근사적인 해를 구할 수 있는 수치해석 프로그램을 사용하여 메타물질을 설계하고 있다. 메타물질 설계에는 주로 FDTD(Finite-Difference Time-Domain method)에 기반한 상용 전자기파 시뮬레이션 프로그램이 사용되고 있으며, 이는 메타물질뿐만 아니라 여러 가지 전자기 관련 시뮬레이션에 광범위하게 사용할 수 있는 범용 프로그램이다. 그러나 FDTD 기반의 프로그램을 메타물질 설계에 사용할 경우 계산 시간이 오래걸리고 계산 안정성이 낮아 결과의 신뢰도가 떨어지며 메타물질 설계를 위해서는 복잡한 후처리 계산이 요구된다는 한계가 있다. 또한 이러한 프로그램은 상용 소프트웨어로써 가격(라이센스 비용)이 비싸기 때문에 재정적인 여유가 없는 연구자는 사용이 어렵다.

 

이에 본 연구팀은 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)를 통해 메타물질 설계에 최적화된 오픈소스 전자기 시뮬레이션 프로그램 MAXIM을 개발하고 이를 온라인상에 무료로 배포하였다. RCWA는 주기적으로 배열된 나노구조체의 광특성 계산에 특화된 계산 방법으로써 계산 속도가 빠르고 계산 안정성이 높기 때문에 기존 FDTD 프로그램의 한계를 극복할 수 있다. 또한 MAXIM은 메타물질 설계에 필요한 결과 값을 자동으로 계산하여 제공하기 때문에 복잡한 후처리 계산 없이 메타물질 설계에 필요한 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 더욱이 MAXIM은 파이썬으로 제작되어 LGPL(Lesser General Public License) 라이센스를 통해 무료로 배포되기 때문에 재정적인 어려움이 있는 연구자들도 자유롭게 사용할 수 있어 메타물질 분야의 발전에 크게 기여할 수 있다.

 

지금까지 여러 연구자들에 의해 RCWA에 기반한 오픈소스 프로그램이 개발되었고 그 중에 상당수는 오픈소스로 무료로 배포되어 왔다. 그러나 대부분의 경우 오픈소스 프로그램의 고질적인 문제라고 할 수 있는 상용 프로그램 대비 매우 낮은 기능성 및 정확성의 한계가 있다. 또한 기존 오픈소스 RCWA 프로그램의 경우 GUI(Graphical User Interface)가 없고 명령어를 통해서 프로그램을 실행하고 조작(검은 화면에 흰 글씨만 있는 환경)하기 때문에 프로그래밍에 대한 경험이 없는 연구자는 사실상 사용이 불가능하다. 이것은 본 연구팀이 MAXIM을 자체적으로 개발하게 된 주된 이유 중에 하나이다.

 

MAXIM은 오픈소스 소프트웨어임에도 불구하고 상용 소프트웨어에 상응하는 수준의 GUI와 계산 정확성을 제공하기 때문에 프로그래밍에 대한 지식이 전무한 일반인도 쉽게 사용이 가능하여 접근성이 매우 높다. MAXIM은 윈도우 상에서 일반적인 프로그램과 같이 아이콘을 더블클릭함으로써 실행할 수 있고 시뮬레이션 환경을 한눈에 관찰할 수 있는 직관적인 GUI를 가지고 있기 때문에 누구든 쉽게 사용이 가능하다. 또한 연구팀은 여러 가지 메타물질의 광특성을 MAXIM과 상용 FDTD 프로그램(Lumerical)으로 계산하여 비교하였으며, 그 결과 일반적인 메타물질에 대한 두 프로그램의 계산 결과 차이는 1% 이내로, MAXIM을 통한 계산 결과의 높은 신뢰도를 검증하였다.

 

현재 개발되어 배포된 MAXIM은 메타물질 연구에는 바로 활용될 수 있으며, 향후 연구팀은 MAXIM에서 계산 가능한 경계조건을 다양화하고 인공지능 기반의 최적화 및 병렬계산 등 최신 알고리즘을 적용하여 메타물질뿐만 아니라 광범위한 전자기 시뮬레이션이 가능한 범용 전자기 시뮬레이션 프로그램으로 개발해 나갈 계획이다.

 

 

 

 

▲MSDE학과 윤관호 교수

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