손가락 터치만으로 홀로그램 바꾼다-홀로그램용 메타물질에 전기, 온도, 터치에 반응하는 액정 결합

손가락 터치만으로 홀로그램 바꾼다-홀로그램용 메타물질에 전기, 온도, 터치에 반응하는 액정 결합

등록일 2020.11.11.

 

 

손가락 터치만으로 홀로그램 바꾼다
홀로그램용 메타물질에 전기, 온도, 터치에 반응하는 액정 결합

□ 손동작만으로 홀로그램 이미지를 실시간으로 구현하는 영화 ‘아이언맨’ 장면의 실현을 앞당길 기술이 소개됐다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 노준석 교수(포항공과대학교 기계공학과 ·
화학공학과), 김영기 교수(포항공과대학교 화학공학과) 연구팀(제1저자: 김인기 연구원)이 꿈의 소재라는 메타물질에 액정기술을 접목, 외부자극에 반응하는 초소형 홀로그램 장치를 개발했다고 밝혔다.
※ 메타물질 : 자연에 존재하지 않는 인공물질로, 투명망토, 슈퍼렌즈, 음굴절 장치 등 새로운 광학기능을 구현할 수 있는 꿈의 소재로 불린다.

□ 머리카락 두께의 1,000분의 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 데 그쳤다.
□ 이에 연구팀은 외부 자극에 반응해 광학적 특성을 쉽게 바꿀 수 있는 액정(liquid crystal)을 메타물질에 접목하였다
○ 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.

□ 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. 한편 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.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 글로벌프런티어사업, 지역혁신선도연구센터사업(RLRC), 미래소재 디스커버리사업, 기본연구지원사업 및 LG Display 등의 지원으로 수행된 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 11월 11일 커버논문(frontispiece)으로 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 포항공과대학교 노준석 교수>

논문명
Stimuli-Responsive Dynamic Metaholographic Displays with Designer Liquid Crystal Modulators
저널명
Advanced Materials
키워드
Flat Optics (평면광학), Metahologram (메타홀로그램), Stimuli-Responsive System (자극반응형 시스템), Liquid Crystal (액정)
저 자
노준석 교수 (교신저자/포항공대 기계공학·화학공학과), 김영기 교수 (공동교신저자/포항공대 화학공학과), 김인기 박사과정 (제1저자/포항공대 기계공학과)

1. 연구의 필요성
○ 투명망토, 슈퍼렌즈 등의 새로운 광학 기능을 구현할 수 있는 것으로 잘 알려진 인공 물질인 ‘메타물질’을 이용해 미래형 디스플레이 기술인 3D 홀로그래픽 디스플레이, 증강/가상/혼합현실 디스플레이 등을 구현하려는 다양한 연구들이 진행되고 있다.
○ 특히 2차원 형태의 메타물질, 즉 메타표면 장치는 머리카락 두께의 1,000분의 1 수준인 수 백 나노미터의 두께를 갖는 초박막/초경량/ 초소형 광학 소자로, 초소형 홀로그램 기술, 초박막 렌즈장치, 구조색 기반 반사형 디스플레이 등의 다양한 응용 분야에 접목되고 있다.
○ 하지만 이러한 메타표면 장치의 큰 단점은 한 번 소자를 제작하고 나면 광학적 특성을 바꿀 수 없는 수동형 소자라는 점이다. 즉, 수동형 메타물질로 구현된 홀로그램(메타홀로그램)은 처음 프로그래밍 된 하나의 이미지 밖에 띄우지 못한다.

2. 연구내용
○ 본 연구팀은 이를 해결하고자, 외부 자극에 반응하여 광학적 특성이 손쉽게 바뀌는 것으로 잘 알려진 액정(liquid crystal)을 메타물질에 접목하기로 하였다.
○ 메타표면 장치는 입사되는 편광에 따라 서로 다른 이미지를 재생할 수 있도록 디자인 되었으며, 특별히 나노 구조의 기하학적 위상 (geometric phase) 및 지연위상(retardation)을 동시에 사용하여, 입사 되는 우원 및 좌원편광에 따라 고화질의 서로 다른 이미지를 재생할 수 있다.
* 기하학적 위상 : 나노구조의 기하학적 특성에 따라, 나노구조로부터 투과/또는 반사되는 빛의 위상
* 지연 위상 : 특정한 굴절률을 가진 나노구조로 빛이 투과/또는 반사될 때, 빛이 느려지며 갖게 되는 위상
○ 이러한 메타표면 장치에 특별하게 고안된 액정 기반 광변조기(light modulator)을 결합하였는데, 이 변조기를 어떤 재료를 사용하여, 어떻게 디자인 하느냐에 따라 다양한 외부자극에 반응하도록 할 수 있다.
* 광변조기 : 빛의 세기, 위상, 편광 등의 정보를 외부 자극을 통해 조절할 수 있는 장치
○ 본 연구에서는 각각 전기, 온도 및 터치에 반응하는 액정셀을 제작 하여, 이런 다양한 외부 자극에 반응하여 재생되는 홀로그램 이미지를 실시간으로 변조할 수 있는 기술을 세계 최초로 구현하였다.
○ 메타표면 장치는 반도체공정을 통해 대량생산에 유리한 수소화 비정질 실리콘을 바탕으로 제작되었으며, 450nm - 700nm의 파장을 갖는 가시광선 영역에서 매우 선명한 홀로그램 이미지를 생성할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 특별히 633nm 파장에서는 60%에 근접하는 회절효율을 보이는 것으로 확인되었으며, 이는 맨눈으로도 매우 선명한 홀로그램 이미지를 관측할 수 있을 정도이다.
* 수소화 비정질 실리콘 : 수소가 첨가된 비정질 실리콘. 특별히 530nm 미만에서 기존 비정질 실리콘의 경우에는 빛의 손실이 크게 일어나는데, 수소를 첨가하게 되면 이러한 손실을 획기적으로 줄일 수 있음.
* 회절효율 : 메타구조체에 프로그래밍된 위상 정보를 바탕으로 홀로그램 이미지가 생성되는데, 구조체로 입사되는 빛의 세기 가운데 실제 홀로그램 이미지로 생성되는 빛의 세기 비율을 나타냄.

3. 연구성과/기대효과
○ 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 예상된다. 향후 단일 광학 소자에 더 많은 이미지를 인코딩 할 수 있는 방법이 추후에 개발된다면, 실제로 초소형 3D 홀로그래픽 비디오 재생 광학 소자도 구현이 가능할 것으로 기대된다.
○ 온도에 반응하는 메타홀로그램 소자는 온도감응형 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 제공하는 센서로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
○ 터치 반응형 메타홀로그램 소자는 가벼운 손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 바꿀 수 있기 때문에, 영화 ‘아이언맨’에서 나오는 미래형 인터랙티브/햅틱(interactive/haptic) 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.

그림 설명

 

 

그림1. 초소형 가변형 홀로그램 장치 모식도
액정 기반 광변조기와 메타표면이 결합된 가변형 초소형 홀로그램 장치 모식도. 외부 자극에 따라 액정 분자 배열이 달라지며, 광변조기를 투과하는 빛의 편광 상태를 조절할 수 있음. 이에 따라 공간 상에 생성되는 홀로그램 이미지가 스위칭 될 수 있음.
제공 : 포항공대 노준석 교수

 

 

그림2. 외부 자극 인가 모식도
본 연구에서는 특별히 3가지 형태의 외부 자극(전압/온도/압력)을 통해 공간 상에 재생되는 홀로그램 이미지를 실시간으로 변조할 수 있음. 전압에 반응하는 소자는 수 ms 만에 홀로그램 이미지를 스위칭 할 수 있고, 온도에 반응하는 소자는 특정 온도를 넘어서면 홀로그램 이미지가 바뀌게 됨. 마지막으로 압력에 반응하는 홀로그램 장치는 가벼운 손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 바꿀 수 있음.
제공 : 포항공대 노준석 교수

 

 

 

 

그림3. 스위칭 되는 홀로그램 결과
비정질 실리콘으로 만들어진 홀로그램 광소자는 넓은 가시광선 영역에서 작동하며, 외부 자극에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 재생할 수 있음. 특별히 633nm 파장에서는 60% 정도의 매우 높은 효율을 갖는 것으로 확인하였고, 이는 맨눈으로도 매우 선명하게 홀로그램을 관찰할 수 있는 수준임.
제공 : 포항공대 노준석 교수

 

 

 

 

 

그림 4. 손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 변조하는 장치 모식도
압력감응형 액정 기반 광변조기를 이용하여, 가벼운 손가락 터치만으로 매우 빠르게 홀로그램 이미지를 스위칭 할 수 있는 장치 모식도.
제공 : 포항공대 노준석 교수

연구 이야기

<작성 : 포항공과대학교 노준석 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 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.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

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.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

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.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

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.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

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.