디스플레이 두께 줄일 메타렌즈 개발했다

KAIST, 완벽한 빛조절 가능한 메타렌즈 개발
단일 소재로 벡터 홀로그램 만드는데 성공

KAIST 신소재공학과 신종화 교수팀이 유니버설 메타표면을 통해 삼차원 벡터 홀로그램을 만들어냈다. KAIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST)는 신소재공학과 신종화 교수가 빛을 완벽하게 조절할 수 있는 메타렌즈를 개발했다고 2일 밝혔다. 연구진은 수학적 원리를 활용, 이론은 물론 직접 실험을 통해 밀접한 두 층으로 이뤄진 메타표면이 빛의 세 가지 주요한 특성인 세기와 위상, 편광을 완벽히 조절했다.

신종화 교수는 "이번 연구결과를 통해 기존에도 메타표면이 널리 사용되고 있는 렌즈, 홀로그램, 빔 조향 장치, 이미징 장치 등의 성능 개선 뿐만아니라, 현재의 기술로는 불가능했던 다양한 응용들이 가능할 것"이라고 말했다.

메타표면은 현재 안경 두께의 1000분의 1인 수 마이크로미터 수준의 얇은 두께만으로도 렌즈의 역할을 할 수 있다. 또한 편광판, 컬러필터 등 기존 다른 광학 부품들의 기능을 갖고 있어 OLED 등 현재 상용 디스플레이의 두께를 획기적으로 줄일 수 있다.

하지만, 현재까지 보고된 메타표면들은 여전히 특정 색의 빛이 가지는 세 가지 특성 중 일부분만을 동시에 조절할 수 있어, 하나의 소자로 세 특성을 완전히 조절하는 문제는 해결되지 못한 숙제로 남아있었다.

연구진은 기존 단일 소자로 불가능했던 벡터 홀로그램들을 제안하고 최초로 만들어내는 데 성공했다. 연구진은 "학문적으로는 메타표면의 편광 선택적 특성을 통해 맥스웰 방정식을 만족하는 두 가지 독립적인 임의의 3차원 전자기장 분포를 구현하는 방법을 최초로 보였다는 점에서 이번 연구는 큰 의의를 갖는다"고 설명했다.

또한, 연구진은 유니버설 메타표면과 일반 렌즈의 조합만으로 임의의 편광 선택적인 선형 광학계의 구현이 가능함을 이론적으로 입증했다. 이는 푸리에 변환 등을 포함한 복잡한 수학적 연산이나 데이터 처리를 광학적으로 간단하게 만들 수 있음을 의미한다.

연구진은 실제 확률론적 양자 CNOT 게이트 배열을 유니버설 메타표면과 렌즈만을 사용해 만들었다. 신종화 교수는 "이 원리는 양자 광학 뿐만 아니라, 광 통신, 광 신경망을 이용한 기계학습 기반 안면인식 등 여러 분야에서 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구진은 이번 연구결과를 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 지난 11월 3일 발표했다.