건드리면 바뀌는 홀로그램 개발


포스텍 노준석 교수팀, 홀로그램용 메타물질에 액정 결합

손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 변조하는 장치 모식도. 압력감응형 액정 기반 광변조기를 이용, 가벼운 손가락 터치만으로 매우 빠르게 홀로그램 이미지를 스위칭 할 수 있다. [포항공대 노준석 교수 제공]

[아이뉴스24 최상국 기자] 온도 변화나 전기 자극, 손가락 터치 등 외부자극이 주어지면 다른 이미지를 출력하는 가변형 홀로그램 기술이 선보였다. 특정 조건이 감지되면 홀로그램으로 알려주는 시스템 개발이 가능해질 것으로 기대된다.

한국연구재단은 포항공대 노준석·김영기 교수 연구팀이 메타물질에 액정기술을 접목, 외부자극에 반응하는 초소형 홀로그램 장치를 개발했다고 밝혔다.

메타물질은 자연에서는 이루어질 수 없는 광학 현상을 구현할 수 있는 인공물질을 말한다. 투명망토, 슈퍼렌즈, 음굴절 장치 등이 대표적인 예이다. 특히 메타물질을 2차원 형태로 구현한 메타표면은 머리카락의 1천분의 1 두께에 불과한 초박막/초경량/초소형 광학 소자로 응용하기 위한 연구가 활발하다.

하지만 이러한 메타표면 장치의 큰 단점은 한 번 소자를 제작하고 나면 광학적 특성을 바꿀 수 없는 수동형 소자라는 점이다. 즉 수동형 메타 홀로그램은 한 번 소자를 제작하면 그 광학적 특성을 바꿀 수 없어, 처음 프로그래밍된 하나의 이미지 밖에 띄우지 못한다. 연구팀은 외부 자극에 반응해 광학적 특성을 쉽게 바꿀 수 있는 액정을 메타물질에 결합해 이를 해결하려고 시도했다.

연구팀은 입사되는 편광에 따라 서로 다른 이미지를 재생할 수 있는 메타표면을 설계했다. 입사되는 우원 및 좌원편광에 따라 서로 다른 이미지가 출력되도록 했다. 여기에 특별하게 고안된 액정 기반 광변조기를 결합해 다양한 외부자극에 반응하도록 만들었다.

메타표면 장치는 반도체공정을 통해 대량생산에 유리한 수소화 비정질 실리콘을 바탕으로 제작했다.

액정 기반 광변조기와 메타표면이 결합된 가변형 초소형 홀로그램 장치 모식도. 외부 자극에 따라 액정 분자 배열이 달라지며, 광변조기를 투과하는 빛의 편광 상태를 조절할 수 있다. 이에 따라 공간 상에 생성되는 홀로그램 이미지가 전환될 수 있다. [포항공대 노준석 교수]

연구팀이 구현한 외부자극은 전기, 온도, 터치 등 세 가지 종류다.

전압 반응형 메타 홀로그래픽 장치는 0.8V 또는 1V 전압을 걸어주면, 수 밀리초(ms) 이내로 홀로그램 이미지를 빠르게 변환할 수 있다. 온도반응형 장치는 47°C 이상이 되면, 터치(압력) 반응형은 10킬로파스칼(kPa)에서 0.01메가파스칼(MPa) 사이의 가벼운 손가락 터치만으로도 홀로그램 이미지를 빠르게 바꿀 수 있다.

비정질 실리콘으로 만들어진 홀로그램 광소자는 넓은 가시광선 영역에서 작동하며, 외부 자극에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 재생할 수 있다. 특별히 633nm 파장에서는 60% 정도의 매우 높은 효율을 갖는 것으로 확인하였고, 이는 맨눈으로도 매우 선명하게 홀로그램을 관찰할 수 있는 수준이다. [포항공대 노준석 교수]

이 기술은 향후 고화질 홀로그래픽 비디오 재생 광학소자, 온도감응형 홀로그램 센서, 미래형 인터랙티브/햅틱 홀로그램 기술을 앞당길 실마리가 될 것으로 기대된다. 단일 광학 소자에 더 많은 이미지를 인코딩 할 수 있는 방법이 추후 개발된다면, 실제로 초소형 3D 홀로그래픽 비디오 구현이 가능해질 것이다.

연구팀은 앞으로 전압,온도,압력 외에 박테리아, 바이러스, 화학물질 등 다른 외부자극에 반응하는 센서와 접목하기 위한 후속연구를 진행할 계획이다. 또한 수백 개의 홀로그램 이미지 정보를 하나의 장치에 저장할 수 있는 기술과도 접목해 실용적인 광학 장치 개발을 지속적으로 추진할 계획이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, LG디스플레이 등의 지원을 받았으며, 연구 내용은 11월 11일 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 표지논문으로 실렸다.

◇논문명: Stimuli-Responsive Dynamic Metaholographic Displays with Designer Liquid Crystal Modulators

◇저자: 노준석 교수 (교신저자/포항공대 기계공학·화학공학과), 김영기 교수 (공동교신저자/포항공대 화학공학과), 김인기 박사과정 (제1저자/포항공대 기계공학과)

최상국 기자 skchoi@inews24.com





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