– 포스텍, 선명도와 효율 높인 가시광 메타표면 제작
– 홀로그램 활용해 다양한 차세대 보안 디스플레이 활용 가능 기대

포스텍(총장 김도연) 기계공학과·화학공학과 노준석 교수팀이 서울대 재료공학부 남기태 교수와 공동 연구로 높은 회절 효율을 갖는 메타표면 디바이스 제작에 성공했다.

전 세계의 비밀 요원들이 홀로그램으로 한 자리에 모여 회의를 하고, 주인공이 망토를 두르자 몸이 감쪽같이 사라지는 영화 킹스맨, 해리포터 속 홀로그램이나 투명 망토 기술은 메타 표면이 핵심 기술이다.

메타 표면에 반사된 빛이 한 곳에 모여 홀로그램이 되기도 하고, 빛을 휘어지게 만들어 물체 뒤로 넘겨 물체를 숨기는 투명망토 기술은 메타표면 기술을 기본으로 하여 만들어진다.

이 모든 기술이 우리 눈에 보이게 하기 위해서는 가시광 영역에서 작동되도록 해야 하는데 지금까지 눈으로 관찰할 수 있으면서 빛을 선명하게 모으는 메타 표면을 제작하는 일은 매우 어려웠다.

메타렌즈는 굴곡이 없는 평면 렌즈로 오목이나 볼록렌즈가 아님에도 모든 빛이 하나의 지점에 정확하게 모이도록 한다. 평면임에도 빛을 모을 수 있는 이유는 메타렌즈 속에 파장보다 작은 크기의 안테나가 표면 위에 가득 배열돼 있기 때문이다.

또 각자의 안테나가 빛의 방향을 하나 하나 정확하게 틀어 특정 지점을 향하고 있어 빛을 모을 수 있는데, 이렇게 만든 표면이 바로 메타 표면이다.

기존의 메타 표면은 가시광 영역에서는 효율이 낮아서 선명하게 보기 위해 가시광보다 긴 파장인 적외선 영역에서 많이 사용됐다. 이 기술은 효율은 높지만 적외선 카메라의 도움 없이는 사람이 직접 인지하기 어렵다는 한계가 있었다.

이에 따라 홀로그램으로의 활용에도 제한이 있었는데, 연구팀은 눈에도 보이고 선명도도 높은 메타 표면을 쉽게 제작할 순 없을까 하는 의문을 갖게 됐다.

연구팀은 반도체 연구에서 많이 쓰이는 다결정 실리콘에 주목했다. 이 물질을 이용해 높은 효율을 가진 가시광 메타물질을 만들어 내는 데 성공했고, 기존의 비정질 실리콘 기반의 메타 홀로그램보다 2배 이상 높은 효율을 구현해 냈다.

효율이 높다는 것은 이미지가 선명해진다는 것을 의미해 기존에 구현된 메타표면 홀로그램 연구들과 비교했을 때 홀로그램의 선명도가 매우 높아졌고 제작 공정도 쉬워졌다. 다결정 실리콘은 반도체 공정에서 많이 사용되기 때문에 기존 공정과의 호환도 쉽다.

이 기술이 상용화된다면 빛을 마음대로 모으고 보내 영화 속 장면과 같은 투명 망토, 선명한 광각 3차원 홀로그램 구현에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또 일정한 빛에서만 드러나는 홀로그램으로 위조 방지나 정보 보안 기술에도 활용할 수 있어 차세대 보안 디스플레이로도 활용 될 전망이다.

한편 한국연구재단 선도연구센터(ERC 광기계기술 연구센터)과 LG디스플레이의 지원으로 진행한 이번 연구 성과는 국제 학술지 ACS 포토닉스(ACS Photonics)에 소개될 예정이다.

최혜영 커뮤니케이터