[선명도 높이고 효율 높인 가시광 메타표면 제작
홀로그램 활용해 다양한 차세대 보안 디스플레이 활용 가능 기대]

전 세계의 비밀 요원들이 한 자리에 홀로그램으로 모여 회의를 하고, 주인공이 망토를 두르자 몸이 감쪽같이 사라진다. 영화 킹스맨, 해리포터 속 홀로그램이나 투명망토를 실현하는 이 기술은 메타표면이 핵심 기술이다. 메타 표면에 반사된 빛이 한 곳에 모여 홀로그램이 되기도 하고, 빛을 휘어지게 만들어 물체 뒤로 바로 넘겨 물체를 숨기는 투명망토 기술은 메타표면 기술을 기본으로 해서 만들어진다. 이 모든 기술이 우리 눈에 보이게 하기 위해선 가시광 영역에서 작동 되도록 해야하는데 지금까지 눈으로 관찰할 수 있으면서 빛을 선명하게 모으는 메타 표면을 제작하는 일은 매우 어려웠다.

기계공학과 석박사 통합과정 윤관호씨와 박사 과정 이다솔씨, 기계공학과/화학공학과 노준석 교수팀은 서울대 재료공학부 남기태 교수와의 공동연구를 통해 높은 회절 효율을 갖는 메타표면 디바이스 제작에 성공했다.

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. 각자의 안테나가 빛의 방향을 하나하나 정확하게 틀어 특정 지점을 향하도록 하기 때문이다. 이렇게 만든 표면이 바로 메타표면이다.

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 인지하기가 어렵다는 한계가 있었다. 자연히 홀로그램으로의 활용에도 제한이 있었다. 눈에도 보이고 선명도도 높은 메타 표면을 쉽게 제작할 순 없는 것일까?

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 높아짐을 확인할 수 있었다. 그뿐만 아니라 제작 공정도 쉬워진 것도 주목할 만하다. 다결정 실리콘은 반도체 공정에서 많이 사용되기 때문에 기존의 공정과의 호환도 쉽다.

이 기술이 상용화된다면 빛을 마음대로 모으고 보내 영화 속 장면과 같은 투명망토, 선명한 광각 3차원 홀로그램 구현에 활용 할 수 있을 것으로 기대된다. 또 일정한 빛에서만 드러나는 홀로그램으로 위조방지나 정보보안기술에도 활용할 수 있어 차세대 보안 디스플레이로도 활용 될 전망이다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ACS 포토닉스(ACS Photonics)를 통해 소개될 예정이다. 한편 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터(ERC 광기계기술 연구센터) 및 LG 디스플레이의 지원으로 이뤄졌다.