포스텍, 빛의 색과 방향만으로 다양한 이미지 표현하는 신기술 개발

스마트폰에서 TV, 그리고 신용카드까지 우리 일상에서 빛을 다루는 기술이 모두 홀로그램을 기반으로 한다. 하지만 기술의 한계로 한 화면에 여러 이미지를 담기 어려웠고, 화질이 떨어지는 문제가 있었다.

포스텍(POSTECH) 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수팀이 머리카락보다 100배 이상 얇은 메타표면에 최대 36개의 선명한 이미지를 담아내는 혁신적인 기술을 개발했다. 이번 연구는 재료과학과 나노 분야 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다.

왼쪽부터 노준석 교수, 박채리·전영선 통합과정생

이번 연구의 핵심은 '메타표면(Metasurface)'이라는 특별한 나노 구조다. 머리카락 굵기의 수백 분의 1 수준으로 얇은 메타표면은 빛이 지나갈 때 그 빛의 특성을 자유자재로 바꿀 수 있다. 연구팀은 단단하면서도 빛을 잘 통과시키는 '실리콘 질화물'을 사용해 원자만큼 작은 나노미터(㎚) 크기 기둥을 만들었다. 이 기둥들은 '메타원자'이라 불리며, 메타표면에서 빛을 정밀하게 제어할 수 있다.

이 기술에서 주목할 점은 빛의 색(파장)과 회전 방향(스핀)에 따라 전혀 다른 이미지가 나타난다는 것이다. 예를 들어, 빨간색 빛을 왼쪽으로 회전시키면 사과 이미지가, 오른쪽으로 회전시키면 자동차 이미지가 보인다. 연구팀은 이 기술을 이용해 가시광선 영역에서는 20㎚ 간격으로 36개의 이미지를, 가시광선부터 근적외선 영역에서는 8개의 이미지를 하나의 메타표면으로 표현했다.

스핀 및 파장 다중화를 구현한 단일 셀 메타홀로그램의 개략도

특히, 이 기술은 설계와 제작이 단순할 뿐만 아니라, 이미지 품질도 높일 수 있다. 기존 문제점인 이미지 간 간섭과 배경 잡음을 '잡음 억제' 알고리즘으로 해결해 화질을 더욱 또렷하고 각 그림이 서로 간섭하지 않도록 개선했다.

노준석 교수는 “스핀과 파장 정보를 단일 위상 최적화 과정으로 다중화하고, 이를 낮은 노이즈와 높은 이미지 품질로 구현해 낸 첫 사례”라며, “이 기술은 대량 생산과 상용화 가능성이 높아 초고용량 광 데이터 저장, 암호화 시스템, 다중 이미지 디스플레이 등 다양한 광학 응용에 기여할 것으로 기대된다”고 했다.

이번 연구는 POSCO홀딩스 N.EX.T Impact 사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단 미래유망융합기술파이오니아사업 지원을 받아 수행됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com