특정 '빛 열쇠'로 정보 표현하는 홀로그램…고성능 광통신·암호 구현

국내 연구팀이 빛의 두 가지 핵심 특성을 동시에 활용해 특정한 '빛 열쇠'로만 정보가 드러나는 홀로그램 기술을 개발했다. KAIST 제공

빛의 두 가지 핵심 특성을 동시에 활용해 특정한 '빛 열쇠'로만 정보가 드러나도록 하는 홀로그램 기술이 개발됐다. 연구성과는 초고속 광통신과 위조 방지 보안기술에 응용될 것으로 기대된다.

KAIST는 신종화 신소재공학과 교수팀이 빛의 움직임을 나타내는 물리량인 '총각운동량(TAM)'을 열쇠처럼 활용해 입체 영상을 구현하는 차세대 홀로그램 메타표면을 개발했다고 4일 밝혔다. 연구결과는 2월 8일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 공개됐다.

빛이 특정 방향으로 진동하는 '편광'과 빛이 나선형으로 꼬이며 진행하는 정도인 '궤도각운동량(OAM)'은 광학에서 쓰이는 빛의 핵심 성질이다. 두 특성을 하나의 소자에서 독립적으로 제어하는 것이 광학 분야의 오랜 난제로 꼽힌다.

연구팀은 표면에 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준으로 미세한 패턴이 있어 빛을 자유자재로 제어할 수 있는 얇은 인공 구조체인 메타표면에 주목했다. 메타표면은 설계에 따라 곡면 없이도 렌즈처럼 빛을 굴절하거나 특정한 색의 빛만 반사하는 등 빛 제어 능력이 매우 뛰어나다.

이중층 형태로 개발된 메타표면 소자는 편광과 궤도각운동량이 결합한 정보인 총각운동량을 암호처럼 활용한다. 특정 편광과 궤도각운동량을 가진 빛이 조사될 때만 소자가 반응해 정보를 재현하는 원리다. 해독하는 사람이 '빛의 열쇠'를 모르면 정보를 읽을 수 없어 보안성이 높다.

궤도각운동량은 이론상 무한한 값을 표현할 수 있어 빛에 담을 수 있는 정보량을 크게 확장한다. 초고용량 광통신 기술로 발전시킬 기반이 될 수 있다는 뜻이다. 실감형 홀로그램, 스마트글래스, 증강현실(AR)·가상현실(VR) 기기 등 차세대 디스플레이에도 활용될 것으로 기대된다.

신 교수는 "빛의 핵심 성질인 편광과 꼬임을 하나의 독립적인 정보 키로 결합해 자유자재로 활용할 수 있음을 입증한 사례"라며 "복제가 어려운 보안 시스템과 초고속·초고용량 광학 통신 기술의 핵심 플랫폼으로 발전할 것"이라고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/adma.202519106

왼쪽부터 정준교 KAIST 연구원, 신종화 교수. KAIST 제공

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]