[헬스코리아뉴스 / 이슬기] 영화 ‘아이언맨’의 장면을 현실 세계에서 구현할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 손동작만으로 홀로그램 이미지를 실시간으로 구현할 수 있는 기술이다. 

포항공과대학교 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 화학공학과 김영기 교수 연구팀(제1저자: 김인기 연구원)이 꿈의 소재라는 메타물질에 액정기술을 접목, 외부자극에 반응하는 초소형 홀로그램 장치를 개발했다. 바로 이 장치가 영화의 장면을 구현할 수 있게 만든다. 메타물질은 자연에 존재하지 않는 인공물질로, 투명망토, 슈퍼렌즈, 음굴절 장치 등 새로운 광학기능을 구현할 수 있는 꿈의 소재로 불린다.

연구팀에 따르면 현재 학계는 머리카락 두께의 1000분의 1 수준의 초박막, 초경량 및 초소형 광학소자인 메타표면을 이용해 3D 홀로그래픽 디스플레이, 증강·가상·혼합현실 등 미래형 디스플레이를 구현하려는 연구가 활발하다.

하지만 기존 메타표면을 이용한 장치는 한 번 소자를 제작하면 그 광학적 특성을 바꿀 수 없어, 처음 프로그래밍된 하나의 이미지만을 공간에 구현하는 것이 한계였다.

연구팀은 외부 자극에 반응해 광학적 특성을 쉽게 바꿀 수 있는 액정(liquid crystal)을 메타물질에 접목했다. 그리고 메타표면에 특별하게 고안된 액정 기반 광변조기(light modulator)을 결합, 액정 셀의 재료(5CB, E7 등)와 디자인(셀 두께, 액정 초기 배열 등)에 따라 손가락 터치나, 전압 또는 열과 같은 다양한 외부 자극에 반응하도록 했다.

그 결과, 실제 전압에 반응하도록 고안된 액정을 접목한 경우 0.8V 또는 1V에 전압을 걸어주면, 수 ms 이내(1밀리초=0.001초)로 홀로그램 이미지를 빠르게 변환할 수 있다.

온도에 반응하는 액정을 접목한 장치는 특정 온도(47°C) 이상이 되면 홀로그램 이미지가 스위칭 된다. 터치에 반응하도록 디자인으로 된 장치는 10kPa에서 0.01MPa 사이의 가벼운 손가락 터치만으로도 홀로그램 이미지를 빠르게 바꿀 수 있었다.

특히 450nm - 700nm의 파장을 갖는 가시광선 영역에서 매우 선명한 홀로그램 이미지를 생성할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 이 장치를 미생물이나 화학물질을 검출하는 센서에 접목하기 위한 연구를 지속할 계획이다.

개발된 초소형 홀로그램 장치는 고화질 홀로그래픽 비디오 재생 광학소자, 온도감응형 홀로그램 센서, 미래형 인터랙티브/햅틱 홀로그램 기술을 앞당길 실마리가 될 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 글로벌프런티어사업, 지역혁신선도연구센터사업(RLRC), 미래소재 디스커버리사업, 기본연구지원사업 및 LG Display 등의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ 11월 11일자에 커버논문(frontispiece)으로 게재됐다.

 

[노준석 교수 인터뷰]

“우리 연구팀은 2017년도부터 실리콘, 이산화티타늄, 질화갈륨 등의 유전체 물질을 이용해 고효율 메타표면 광학 소자를 개발해오고 있다. 구체적으로, 초박막 렌즈, 초소형 홀로그램 광학 소자, 구조색 기반 컬러필터 등의 미래형 광학소자를 구현하기 위해, 인공지능을 포함한 새로운 설계 공법에서부터 초정밀/대면적 생산기술까지 매우 광범위한 연구를 진행하고 있다. 이 분야의 가장 큰 현안은 소자를 제작하고 나서도, 소자의 광학적 특성을 임의로 변조할 수 있는 가변형 메타광학 소자를 구현하는 것이다. 이를 위해 빛의 편광 및 진행 방향 등의 입사되는 빛의 특성에 따라 광특성이 변조되는 소자나 VO2, Ge2Sb2Te5 및 IGZO 등과 같은 상변화 물질을 접목한 가변형 소자를 구현해보았지만, 가시광선 영역에서 급격하게 광학적 특성을 변조하는 것은 매우 어려운 일이었다. 그러던 가운데, 본교 화학공학과에 액정 설계 및 실험 분야에 최고 전문가 중 한 분이신 김영기 교수님께서 부임하시면서 공동 연구를 모색해보게 되었다.”

“액정은 광학 분야에서 전통적으로 사용되고 있는 가변형 광학 재료로서, 이를 메타광학 소자에 접목하게 되면 더욱 실효성이 높은 가변형 광학 소자를 개발할 수 있을 것 예감이 들었다. 본 연구팀은 지난 2019년 및 2020년 초에 개발한 편광 및 양방향 멀티플렉싱 메타홀로그램(각각 Laser Photonics Reviews, Nanoscale Horizons에 보고됨)을 한 단계 더 진보시켜, 스위칭 되는 홀로그램 이미지들 간의 잔상효과는 더욱 줄이면서, 효율 또한 향상된 메타홀로그램을 개발하는 과정 중에 있었다. 이러한 광학 소자에 김영기 교수님과의 공동연구를 통해 외부 자극에 따라 원하는 편광상태로 빛을 변조할 수 있는 광변조기를 디자인 및 제작하여 접목해본 결과, 기존의 상변화 물질로는 구현할 수 없던 다양한 형태의 외부 자극-반응형 메타홀로그램 소자를 구현할 수 있었다.”

“본 연구 성과는 메타광학 분야의 전문성을 가진 연구팀과 액정 시스템 분야의 전문성을 가진 연구팀이 합심하여, 나노광학 연구 분야의 큰 현안을 해결한 성과로 생각된다. 앞서 이야기한 것처럼, 메타광학 분야에서 가시광선 대역에서 급격한 광학적 특성을 변조하는 것은 해결하기 어려운 연구 주제였다. VO2, Ge2Sb2Te5, ITO등의 상변화 물질을 접목한 연구들이 미국 하버드대학교, 캘리포니아공과대학교 및 스탠포드대학교의 리딩 연구그룹을 포함해 전 세계적으로 매우 활발히 진행되고 있으나, 대부분 적외선 영역에서 작동하거나 가시광선 영역에서 작동하더라도 변조폭이 매우 작고, 손실이 매우 커 실효성이 떨어지는 경우가 대부분이었다.

하지만 본 연구에서는 편광-멀티플렉싱된 메타광학소자와 외부자극에 반응하는 기능성 액정 광변조기를 접목해, 가시광선 전 영역에서 매우 높은 효율을 가지며 또한 새로운 응용 분야를 개척할 수 있는 신개념 광학 소자를 개발할 수 있었다. 구체적으로, 액정 기반 광변조기의 디자인 따라 다양한 외부자극에 반응하도록 할 수 있다. 본 연구에서는 각각 전기, 온도 및 터치에 반응하는 액정셀을 제작하여, 이런 다양한 외부 자극에 반응하여 재생되는 홀로그램 이미지를 스위칭 할 수 있는 기술을 세계 최초로 구현하였다. 전기에 반응하는 홀로그램 장치의 경우에는 수 ms 이내로 홀로그램 이미지를 빠르게 스위칭 할 수 있고, 온도에 반응하는 장치는 특정 온도(47°C) 이상이 되면 홀로그램 이미지가 스위칭 되며, 터치에 반응하는 장치의 경우에는 가벼운 손가락 터치만으로도 홀로그램 이미지를 빠르게 바꿀 수 있음을 확인하였다.”

“전기로 스위칭 되는 메타홀로그램 소자는 수 ms 이내로 홀로그램을 스위칭 할 수 있기 때문에, 이론적으로는 현재 영화나 고화질 동영상에 사용되는 60, 120 프레임의 비디오 영상 또한 구현이 가능할 것으로 기대된다. 단일 광학 소자에 더 많은 이미지를 인코딩 할 수 있는 방법이 추후에 개발된다면, 실제로 초소형 3D 홀로그래픽 비디오 재생 광학 소자도 구현이 가능하다. 또한 온도에 반응하는 메타홀로그램 소자는 온도측정 센서로 활용될 수 있다. 온도엔 민감한 식품, 포토레지스트와 같은 화학품 등의 배송 및 보관 중에 특정 온도를 넘어가게 되면, 곧 바로 경고 형태의 홀로그램 이미지가 공간 상에 띄워지며 시각적 알람 기능을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 마지막으로 터치 반응형 메타홀로그램 소자는 가벼운 손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 바꿀 수 있기 때문에, 영화 ‘아이언맨’에서 나오는 미래형 인터랙티브/햅틱 홀로그램 기술을 현실화 할 수 있는 원천 기술이 될 것으로 기대된다. 또한 이러한 인터랙티브 홀로그램 기술뿐 만 아니라, 충격에 민감한 고가의 미술품 및 상품에 부착 가능한 충격 감지 센서로 사용될 수 있다. 운반이나 배송 과정 중에 외부의 충격이 가해지면 경고 형태의 홀로그램 이미지를 확인하여, 물품의 이상 여부를 즉각적으로 확인할 수 있을 것으로 기대된다.”

“본 연구에 대한 후속 연구 방향으로는, 첫 째로, 전압/온도/압력 외에 새로운 자극(예를 들면, 박테리아, 바이러스 또는 화학 물질)에 반응하는 액정 기술을 메타광학 소자에 접목하는 것이다. 이를 통해 새로운 형태의 광학 기반 환경센서, 바이오메디컬센서 등을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 두 번째로는, 본 연구팀이 지속적으로 연구 중에 있는 평면 광학 기술을 한 단계 더 진보시키는 방향의 연구이다. 최근 (2020년 10월) 본 연구팀이 Nature Nanotechnology에 보고한 빛의 궤도각 운동량 정보에 따라 수백 개의 홀로그램 이미지 정보를 하나의 장치에 저장할 수 있는 기술을 액정과 접목하여, 앞서 언급한 실제 초소형 3D 홀로그래픽 비디오 재생 광학 소자를 구현하는 연구를 진행해 볼 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이외에도 증강/가상현실용 디스플레이 장치, 초박막 가변형 렌즈 및 자율주행자동차용 라이다 센서 등의 실용적인 광학 장치들 또한 개발해나가고자 한다.”

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