포스텍, 메타물질 설계용 SW 오픈소스로 공개

[아이뉴스24 최상국 기자] 포스텍 노준석 교수 연구팀이 메타물질 설계에 최적화된 시뮬레이션 프로그램을 개발, 온라인으로 무료 배포했다.

연구팀은 가격이 비싼 상용 전자기파 시뮬레이션 프로그램과 달리 메타물질 설계에 최적화된 프로그램을 직접 개발하고 이를 수리물리 및 컴퓨터공학 분야 국제 학술지인 컴퓨터 피직스 커뮤니케이션즈(Computer Physics Communications) 온라인판에 소프트웨어 패키지와 함께 발표했다.

◇논문명: MAXIM: Metasurfaces-oriented electromagnetic wave simulation software with intuitive graphical user interfaces(맥심: 메타표면 전용 전자기파 시뮬레이션 소프트웨어)

◇연구자: 노준석 (교신저자), 윤관호(제1저자, 현 서울과학기술대학교 생산시스템 및 설계공학과 조교수)

광학 메타물질은 빛을 자유자재로 조절해 모습을 숨기거나 정보를 암호화하고, 입체 동영상을 광속으로 전달할 수 있는 물질을 말한다. 기존의 물질이 제공하지 못하는 음굴절 및 초고굴절 등 다양한 광 특성을 자유자재로 제어할 수 있다. 이런 특성 때문에 메타물질을 이용해 초박막 평면렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토와 같은 이전에 없던 새로운 광학 기기를 구현하기 위한 연구가 전 세계적인 관심을 받고 있다.

사람의 눈에 보이는 가시광선에서 작동하는 메타물질의 경우 1마이크로미터 이하 수백 나노미터 크기의 '나노구조체’를 규칙적으로 배열해 만든다. 이런 메타물질을 설계하기 위해서는 원하는 광특성에 대응하는 개별 나노구조체의 형상을 계산해야 하지만, 이에 대한 수학적인 해가 아직 밝혀지지 않았기 때문에 메타물질 연구 분야에서는 이에 대한 근사적인 해를 구할 수 있는 수치해석 프로그램을 사용하여 메타물질을 설계하고 있다.

이제까지 메타물질 설계에는 주로 FDTD(Finite-Difference Time-Domain method)에 기반한 상용 전자기파 시뮬레이션 프로그램이 사용되고 있는데, 이는 메타물질뿐만 아니라 여러 가지 전자기 관련 시뮬레이션에 광범위하게 사용할 수 있는 범용 프로그램이다. 메타물질 설계에 사용할 경우 계산 시간이 오래 걸리고 계산 안정성이 낮아 결과의 신뢰도가 떨어지며 메타물질 설계를 위해서는 복잡한 후처리 계산이 요구된다는 한계가 있다. 또한 이러한 프로그램은 상용 소프트웨어로써 가격(라이선스 비용)이 비싸기 때문에 재정적인 여유가 없는 연구자는 사용이 어렵다.

노준석 교수 연구팀은 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)를 통해 메타물질 설계에 최적화된 오픈소스 전자기 시뮬레이션 프로그램 'MAXIM'을 개발했다. RCWA는 주기적으로 배열된 나노구조체의 광특성 계산에 특화된 계산 방법으로써 계산 속도가 빠르고 계산 안정성이 높기 때문에 기존 FDTD 프로그램(Lumerical)의 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.

연구팀은 여러 가지 메타물질의 광특성을 MAXIM과 상용 FDTD 프로그램으로 계산하여 비교했다. 그 결과 일반적인 메타물질에 대한 두 프로그램의 계산 결과 차이는 1% 이내로, MAXIM을 통한 계산 결과의 높은 신뢰도를 검증했다.

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.

노준석 교수는 "MAXIM은 오픈소스 소프트웨어임에도 불구하고 상용 소프트웨어에 상응하는 수준의 GUI와 계산 정확성을 제공하기 때문에 프로그래밍에 대한 지식이 없는 일반인도 쉽게 사용이 가능하여 접근성이 매우 높다"고 소개했다.

또한, "MAXIM은 파이썬으로 제작되어 LGPL(Lesser General Public License) 라이선스를 통해 무료로 배포되기 때문에 재정적인 어려움이 있는 연구자들도 자유롭게 사용할 수 있어 메타물질 분야의 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다"고 말했다.

연구팀은 앞으로도 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.

이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 미래소재디스커버리사업, RLRC 지역선도연구센터 사업, 교육부 BK21 사업의 지원을 받아서 수행됐다.