College Of Engineering
서울공대 이야기
서울대 이병호 교수팀, 고해상도, 광시야각의 완전한
홀로그램 재생 소자 개발

 

기존 홀로그램 소자들의 빛 제어 한계 및 시야각 한계 극복하는 메타표면 기술


▲ 좌측부터 서울대 이병호 교수, 포항공대 노준석 교수, 경북대 이승열 교수, 고려대 김휘 교수

 
서울대 공대(학장 차국헌)는 이병호 서울대학교 전기·정보공학부 교수와 노준석 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 교수, 이승열 경북대학교 전자공학부 교수, 김휘 고려대학교 전자 및 정보공학과 교수로 구성된 공동 연구팀이 기존 홀로그램 소자들의 문제점들을 극복하고 완전한 홀로그램 이미지를 구현할 수 있는 소자를 개발했다고 밝혔다.
 
공상 과학 영화 속에 종종 등장하여 친숙한 홀로그램은 빛을 통해 3차원적인 영상을 형성할 수 있는 기술이며, 유망한 미래 기술로 주목받고 있는 기술 중 하나이다. 홀로그램 이미지를 재생하기 위해서는 이론적으로 빛의 ‘세기’과 ‘위상’ 두 가지의 정보를 제어해야만 한다. 하지만, 현재까지 개발된 홀로그램 소자들은 이 두가지 정보를 동시에 제어할 수 없으며, 둘 중 하나만 제어할 수 있다는 한계점이 있다. 이런 이유로, 현재까지의 기술로는 두 가지 정보들 중 하나만을 사용하는 근사적인 방법을 통한 불완전한 홀로그램 재생만이 가능했다. 이러한 기존 홀로그램의 불완전성 때문에, 홀로그램 이미지에 심각한 결함이 생기거나 홀로그램 정보 계산에 필요한 시간이 기하급수적으로 늘어나는 문제점들이 있었으며, 홀로그램 기술 개발에 큰 걸림돌이 되어왔다.
 
이병호 교수 공동 연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 빛의 파장 이하의 크기를 갖는 수백 나노미터(1나노미터는 10억 분의 1 미터) 소자들을 이용한 “메타표면”을 통해 새로운 홀로그램 소자를 개발했다. 연구팀이 개발한 X자 형태의 실리콘 나노 구조를 응용하면, 소자 표면 위에 각각 픽셀 별로 빛의 투과 세기와 위상 정보를 독립적으로 온전히 기록할 수 있다.
 
또한, 기존의 액정이나 마이크로 거울을 이용한 홀로그램 소자들의 픽셀 크기는 수 마이크로미터 (백만 분의 1 미터)인데 비해서 이병호 교수 공동 연구팀이 개발한 소자는 픽셀 크기가 수백 나노미터에 불과하여, 기존 홀로그램 소자에 비해서 100배 이상의 높은 해상도를 가질 수 있는 장점이 있다. 홀로그램을 얼마나 넓은 범위에서 관측할 수 있느냐를 따지는 수치인 “시야각” 측면에서도, 기존의 액정이나 마이크로 거울을 이용한 홀로그램 소자로 재생한 홀로그램 이미지의 시야각은 10° 이하에 불과하지만, 개발된 메타표면 소자를 통해 재생된 홀로그램 이미지는 100° 이상의 광시야각을 가질 수 있다.
 
이를 이용하면 아무런 근사적인 방법 없이 완전한 빛의 재생이 가능하며, 빛의 파장보다 작은 단위의 해상도를 제공할 수 있으며 고해상도의 깨끗한 홀로그램 이미지를 만들 수 있어, 미래 홀로그램 기술의 발전에 큰 발판이 될 것으로 예상된다. 또한, 이 기술은 빛의 정보를 완전히 복원할 수 있기에 홀로그램 이미지 기술뿐만 아니라 홀로그램 정보 저장 기술 등에서도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상한다.
 
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.
 
이번 연구는 최근 영국 왕립화학회에서 출판하는 국제적 학술지 ‘나노 스케일’(Nanoscale) 인터넷판에 게재됐으며, 미국광학회(OSA)의 주관으로 특별 웨비나(웹 세미나)를 통해 세계적으로 소개됐다.


[참고자료]
논문: pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/nr/c7nr07154j
미국광학회 웹 세미나: https://cc.callinfo.com/cc/s/meetingArchive?eventId=14sltkk8eb540

 
 
▲ 빛의 진폭과 위상을 동시에 조절하여 완전한 홀로그램 재생이 가능한 메타표면 홀로그램 소자(서울대 공대 제공)
(좌) 제작된 메타표면 홀로그램 소자의 전자현미경 사진 
(우) 홀로그램 이미지 재생 개념도 및 실험적으로 재생된 홀로그램 이미지

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