서울대 공대(학장 차국헌)는 서울대 전기정보공학부 이병호 교수, 포항공대 기계공학·화학공학과 노준석 교수, 경북대 전자공학부 이승열 교수, 고려대 전자·정보공학과 김휘 교수로 구성된 공동 연구팀이 고해상도·광시야각으로 완전하게 홀로그램 이미지를 구현할 수 있는 소자를 개발했다고 14일 밝혔다.
공상 과학 영화 속에 종종 등장하는 홀로그램은 빛을 통해 3차원 영상을 재생하는 기술로, 미래에 주목받고 있는 유망한 기술 중 하나다.
홀로그램 이미지를 재생하기 위해서는 빛의 세기과 위상을 동시에 제어해야 한다. 그러나 현재까지 개발된 홀로그램 소자들은 빛의 세기와 위상 중 하나만 제어할 수 있다는 한계점을 갖고 있다.
이러한 이유로 현재까지 개발된 소자로는 불완전한 홀로그램 재생만이 가능했다. 불완전한 홀로그램은 이미지에 심각한 결함이 생기거나 정보 계산에 필요한 시간이 기하급수적으로 늘어나는 문제 때문에 홀로그램 기술 개발에 큰 걸림돌이 돼왔다.
이 교수 공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 빛의 파장 크기보다 작은 수백 나노미터 소자들로 이뤄진 ‘메타표면’으로 새로운 홀로그램 소자를 개발했다. 연구팀이 개발한 X자 형태의 실리콘 나노 구조를 응용하면 소자 표면에 픽셀 별로 빛의 세기와 위상 정보를 온전히 기록할 수 있다.
기존에 액정이나 마이크로 거울을 이용한 홀로그램 소자들의 픽셀 크기는 수 마이크로미터(백만분의 1미터)다. 반면 이 교수 공동 연구팀이 개발한 소자는 픽셀 크기가 수백 나노미터에 불과해 기존 홀로그램 소자보다 100배 이상 높은 해상도를 가진다는 장점이 있다.
홀로그램을 얼마나 넓은 범위에서 관측할 수 있느냐를 따지는 수치인 ‘시야각’도 월등히 높다. 기존 홀로그램의 시야각은 10° 이하에 불과하지만, 메타표면 소자로 재생된 홀로그램 이미지는 100° 이상의 광시야각을 가질 수 있다. 이를 이용하면 근사적 방법 없이 완전한 빛의 재생이 가능하다. 또 고해상도의 깨끗한 홀로그램 이미지를 만들 수 있기 때문에 미래 홀로그램 기술의 발전에 큰 발판이 될 것으로 예상된다.
이병호 교수는 “이번 연구를 통해 홀로그램 소자 개발을 위한 중요 난제 해결의 발판을 마련했다”며 “앞으로 이를 실시간으로 변조하는 기술을 개발하는 것이 실용화를 위한 관건”이라고 설명했다.
본 연구는 최근 영국 왕립화학회에서 출판하는 국제 학술지 ‘나노 스케일’ 인터넷판에 게재됐으며 미국광학회(OSA)가 주관하는 특별 웨비나(웹 세미나)를 통해 세계적으로 소개됐다.
solidkjy@fnnews.com 구자윤 기자
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