[쿠키과학] '특정 빛'에서만 나타나는 홀로그램… KAIST, 차세대 광학 플랫폼 개발

TAM 활용해 입사광 조건 따라 서로 다른 입체영상 구현
이중층 메타표면으로 광학 난제 '독립 제어' 해결
픽셀마다 빛 방향 설계, 고차원 벡터 홀로그램 구현
위조 어려운 보안 라벨부터 초고용량 광통신까지 확장
AR·VR·스마트 글래스 적용 가능

차세대 벡터 홀로그램 메타표면 연구개념도. KAIST

KAIST가 빛의 꼬임과 진동 방향을 암호 열쇠로 활용해 특정 조건에서만 입체 영상을 재생하는 신개념 홀로그램 기술을 선보였다.

KAIST 신소재공학과 신종화 교수팀은 빛의 총 각운동량(Total Angular Momentum, TAM)을 정보 선택 핵심 열쇠로 써서 입사하는 빛 상태에 따라 다른 입체 영상을 구현하는 차세대 벡터 홀로그램 메타표면을 개발했다.

TAM은 빛 진동 방향인 편광(Spin Angular Momentum, SAM)과 나선형으로 소용돌이치며 나아가는 궤도 각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM)을 결합한 물리량이다.

이 기술의 핵심은 빛의 상태를 두 축으로 나눠 동시에 다루는 데 있다. 

기존 연구는 편광(SAM)이나 궤도 각운동량(OAM) 가운데 하나를 선택해 제어하는 수준으로, 두 성질을 한 소자에서 독립적으로 다루는 것은 광학 분야의 대표 난제로 꼽혀왔다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 머리카락 굵기보다 훨씬 작은 나노 구조물을 정밀하게 설계해 두 층으로 쌓은 이중층 메타표면 아키텍처를 구현했다. 

이 구조는 대칭성을 깨고, 편광과 꼬임을 각각 독립적인 정보 키로 작동하게 만든다.

특히 메타표면은 파장보다 작은 구조 배열로 빛의 진행과 성질을 인위적으로 바꾼다.

여기에 두 층 설계를 적용하자, 입사광의 진동 방향과 꼬임 정도를 서로 간섭 없이 분리 제어했다.

연구팀은 이 조합을 하나의 복합 변수인 TAM으로 묶어, 사실상 다중 암호 키처럼 활용했다.

이 소자는 빛 편광과 꼬임 정도가 결합된 TAM을 마치 복잡한 암호 열쇠처럼 활용한다. 

특정 방식으로 진동하고 정해진 횟수만큼 꼬인 빛이 들어올 때만 소자가 반응해 숨겨진 정보를 재현하는 방식이다. 

이는 겉보기에 동일한 빛이라도 정해진 빛의 열쇠가 없으면 정보를 읽을 수 없어 보안성이 매우 높다.

이를 통해 영상의 각 지점에서 빛의 세기뿐 아니라 편광 방향까지 동시에 설계하는 벡터 홀로그램을 구현했다.

기존 홀로그램이 밝기 중심의 2차원 정보에 가까웠다면, 이 기술은 방향 정보까지 포함한 고차원 데이터를 다뤄 한 화면 안에서 각 픽셀이 서로 다른 빛의 상태를 갖도록 설계했다.

이에 따라 하나의 소자에서 여러 개의 독립 채널을 동시에 운용할 수 있다. 

또 각 채널은 서로 다른 TAM 조건에서만 열리기 때문에 정보 간섭 없이 다중화가 가능하다.

입사되는 빛의 조건에 따라 독립적인 세기와 편광 이미지가 생성되는 벡터 홀로그램. KAIST

이 기술은 특정 TAM 조건을 모르면 정보를 읽을 수 없기 때문에 물리적 복제가 가능한 기존 보안 라벨과 달리 빛의 상태까지 맞춰야 해 위조가 매우 어려운 게 강점이다.

아울러 통신에서도 OAM이 이론적으로 무한에 가까운 모드를 갖기 때문에 이를 채널로 쓰면 한 번에 실을 수 있는 데이터량을 크게 늘릴 수 있어 초고속·초고용량 광통신의 병목을 줄일 수 있다.

이를 응용하면 AR·VR, 스마트 글래스 등 실감형 디스플레이에서 화면의 각 지점에서 빛의 방향을 제어할 수 있어 현실감과 정보 밀도를 동시에 끌어올릴 수 있다.

신 교수는 “이번 연구는 편광과 꼬임을 하나의 독립적 정보 키로 결합해 자유롭게 다루는 구조를 입증했다”며 “복제가 어려운 보안 시스템과 초고속 광통신을 동시에 뒷받침할 핵심 플랫폼이 될 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 정준교 박사가 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 12닐 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 게재됐다. 
(논문명: Arbitrary Total Angular Momentum Vectorial Holography Using Bi-Layer Metasurfaces)

(왼쪽부터)정준교 박사, 신종화 교수. KAIST

이재형 기자 jh@kukinews.com