– 멀티플렉싱 가능한 메타홀로그램 광학 소자 개발
– 서로 다른 위치에, 서로 다른 정보 전달…공연용, 전시용, 차량용으로 접목

홀로그램 기술은 이미 일상 속 곳곳에서 사용되고 있다. 지폐의 위변조를 방지하기 위해 사용하는 홀로그램 스티커, 자동차 앞 유리에 직접 투영돼 길을 안내하는 증강현실(Augmented Reality) 내비게이션, 가상의 세계에서 실제와 같이 게임을 할 수 있는 가상현실(Virtual Reality) 게임 등이다. 최근 더 얇아지고, 더 가벼우면서, 양방향으로 작동하는 메타홀로그램 소자가 개발되면서 와칸다 왕국의 신하들과 홀로그램으로 통신하는 영화 ‘블랙 팬서’처럼 현실에서도 서로 다른 장소에서, 서로 다른 정보를 주고받는 일이 가능해질 전망이다.

기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 통합과정 김인기씨 연구팀이 단일 메타홀로그램 광학 소자에서 빛의 입사 방향에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 생성할 수 있는 다기능성 메타홀로그램 소자를 개발했다. 이 연구 성과는 세계적인 나노 분야 학술지인 나노스케일 호라이즌(Nanoscale Horizons)에 2020년 1월호 표지논문으로 소개됐다.

텔레비전이나 빔 프로젝터는 빛의 세기 정보만을 전달하는 데 그쳤다면, 홀로그램 기술은 빛의 세기와 위상정보까지 저장해 3차원 공간에서도 영상을 재생할 수 있다. 이때 메타물질을 이용하면 사용자가 원하는 형태로 나노구조와 크기, 형태를 바꾸면서 빛의 세기와 위상을 조절할 수 있다. 픽셀 사이즈가 300~400나노미터(nm)에 불과한 메타홀로그램은 매우 높은 화질의 홀로그램 영상을 구현할 수 있다.

하지만 지금까지 개발된 메타홀로그램 소자는 빛이 한 방향으로 입사할 때에 이미지를 형성했지만, 반대로 빛이 입사할 때는 이미지를 형성하지 못했다.

이런 문제를 해결하기 위해 연구팀은 두 종류의 메타표면^*1을 사용했다. 한 종류의 메타표면에는 빛이 앞쪽에서 입사했을 때 위상정보를 갖도록 하고, 다른 종류의 메타표면은 빛이 뒤쪽에서 진행할 때 작동하도록 했다. 결과, 빛의 진행 방향에 따라 실시간으로 서로 다른 홀로그램 이미지를 생성할 수 있음을 확인했다.

또 기존의 메타홀로그램이 갖는 저효율의 단점을 극복하기 위해 실리콘 나노 기둥 안에서 발생하는 이중 자기공명 특성(dual magnetic resonances)^*2과 반 강자성 공명(antiferromagnetic resonances) 현상^*3을 나노 구조 디자인에 접목했다. 이렇게 제작된 메타홀로그램은 60% 이상의 높은 회절 효율을 가짐으로써 눈으로도 매우 선명한 이미지를 관찰 할 수 있었다.

뿐만 아니라 이번에 개발된 메타홀로그램은 실리콘을 이용하기 때문에 기존의 반도체 공정을 그대로 사용해서 제작할 수 있다는 장점도 있다.

양방향에서 작동하는 메타홀로그램은 단순한 하나의 이미지 정보를 제한된 위치에서 보여주는 것을 넘어 서로 다른 위치에 있는 여러 사용자에게 동시에 다양한 정보를 제공할 수 있는 홀로그램 플랫폼이 될 수 있을 것으로 기대된다.

메타물질 연구를 주도하고 있는 노준석 교수는 “메타표면 기반의 초소형·초박막·초경량 광학 소자는 이제는 단순히 기존 광학 시스템에서 구현되던 기능만을 대체하는 것을 뛰어넘어, 메타표면 디자인 방법에 따라 더 많은 기능을 하나의 광학 소자로 구현할 수 있는 잠재성이 매우 큰 기술”이라며 “특히 이 연구에서 구현한 양방향에서 작동하는 메타홀로그램 광학 소자는 서로 다른 위치에 있는 사용자에게 동시에 다양한 시각적 정보를 전달할 수 있어 기존의 홀로그램의 응용 분야 외에도 공연용, 엔터테인먼트용, 전시용, 차량용 홀로그램 등에 접목될 수 있을 것”이라며 기대감을 드러냈다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 지역혁신 선도연구센터(RLRC), 선도연구센터(ERC), 미래소재디스커버리사업, 글로벌박사펠로우십 사업의 지원으로 수행됐다.
 

1. 메타표면
메타물질은 기존에 존재하는 물질을 인위적으로 조절해 자연상에 존재하지 않는 물성을 띈 새로운 물질을 말한다. 메타표면은 메타물질의 2차원 박막을 빛의 파장보다 작은 패턴을 이용해 새롭게 만든 2차원 평면구조. 광학적 특성을 보이는 것이 특징이다.

2. 이중 자기공명 특성(dual magnetic resonances)
빛이 실리콘 나노 기둥과 상호작용을 일으키면서, 실리콘 나노 기둥 안에 전기장과 자기장이 유도된다. 이 실리콘 나노 구조의 크기를 적절히 조절하면 특정 파장대에서 전기장/자기장이 공명 특성을 일으키게 되는데, 특별히 자기장 공명 특성은 메타표면 홀로그램의 반사율 또는 투과율을 극대화 할 수 있다.

3. 반 강자성 공명(antiferromagnetic resonances) 현상
전기장/자기장 공명 특성이 일어나는 실리콘 나노 기둥 안을 더 자세히 관찰해보면, 그 안에서 국소적으로 회전하는 전기 변위 전류(electric displacement currents)가 발생하며 이는 다시 자기 쌍극자(magnetic dipoles)를 유도하게 된다. 이렇게 유도된 자기 쌍극자는 빛의 편광 방향에 따라, 즉 x, y 편광에 따라 짝수개 혹은 홀수개의 반 평행 (antiparallel) 방향으로 놓여진 형태로 구성된다. 이 현상이 높은 홀로그램 효율을 갖게 하는 근본 원인이다.