[더테크 뉴스]   서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 유선규 교수 연구팀이 네트워크 과학과 진화 개념의 도입을 통해 빛의 산란 현상 제어에 성공했다고 14일 밝혔다.

특히 광학, 재료과학 및 네트워크 과학의 융합에 기반한 해당 연구를 통해 무질서해 보이면서도 균일한 특성을 제공하는 초균일(Hyperuniform) 매질의 자유로운 구현이 가능해졌다고 전했다.

빛의 산란은 빛이 입자에 부딪히면서 그 진행 방향이 바뀔 때 발생하는 현상으로, 하늘이 푸른 물리적 원인이기도 하다. 산란 현상은 디스플레이, 레이저, 광학 센서, 엑스레이 등 광학 기술에서 광범위하게 활용되며 반도체 회로 제작을 위한 포토리소그래피에서도 중요한 작용을 한다. 따라서 원하는 빛의 산란을 얻도록 매질 또는 재료를 역설계하는 기술의 구현은 매우 중요하다. 

기존에는 무관하다고 여겨져 왔던 광학과 네트워크 과학 간의 연계를 강하게 요구하고 있다. 그러나 현재까지는 네트워크의 개념을 광학적인 측면(예를 들어 빛의 간섭 현상)에서 엄밀하게 정의한 연구가 없었으며, 따라서 매우 한정된 형태의 인공신경망만이 구현할 수 있었다.

유선규 교수 연구팀은 빛의 산란 현상을 네트워크 과학을 통해 최초로 해석해 진화형 광학 네트워크를 구현하고 이를 통해 초밀도·초균일 광학 매질을 설계하는 데 성공했다.

연구팀은 빛의 산란 현상에서 발생하는 ‘간섭’ 현상을 반영하는 광학 네트워크의 개념을 최초로 정립하고, 이에 ‘진화’의 개념을 도입했다. 예를 들어 시스템에 입자가 한 개씩 들어감에 따라 빛의 산란과 이에 1:1 대응되는 광학 네트워크가 어떻게 ‘진화’하는지를 분석했다.

해당 기법을 통해 동일 조건에서 기존에 알려진 것보다 3배 이상 강한 산란 특성을 갖는 초밀도매질을 구현하는데 성공했으며 매우 무질서해 보이면서도 균일한 매질 특성을 갖는 초균일 매질을 진화 프로세스를 통해 설계하는데 성공했다. 이를 통해 기존에 존재하는 재료에 진화형 매질을 덮어씌워 기존의 구조적 특성을 숨기는 스크리닝 기술의 구현도 가능함을 증명했다.

논문의 교신저자인 유선규 교수는 "기존의 광학 인공신경망은 뉴런의 개수가 정해져 있어 주어진 크기의 문제만 다룰 수 있을 뿐만 아니라 학습에 어려움이 많았는데, 새롭게 제안된 진화형 광학 신경망은 문제에 따라 필요한 뉴런의 개수를 맞춰갈 수 있다는 장점이 있다”고 밝혔다.

이어 유 교수는 “재료 과학적인 측면에서는 닭의 눈이나 우주 별의 분포, 소수의 패턴에서 관찰되던 초균일 매질을 최초로 동적인 상황에서 분석했다는 것에 그 의의가 있다”며 “이를 통해 여러 자연계에 존재하는 초균일 패턴들의 생성 원리를 이해하고, 이를 메타물질과 같은 인공 매질 설계에 적용하는 후속 연구를 진행하고자 한다”고 향후 목표를 밝혔다.

한편 이번 연구는 국제학술지 네이처 컴퓨테이셔널 사이언스에 2월 13일 게재됐으며 해당 저널 News & Views 섹션에도 소개됐다.