Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(2)

고화질 광시야각 홀로그램용 복소 광변조 능동 메타 소재 및 소자 개발

김용해_한국전자통신연구원 책임연구원
황치선_한국전자통신연구원 본부장
양종헌_한국전자통신연구원 책임연구원
홍성훈_한국전자통신연구원 선임연구원

1.서론

홀로그램이란 단어는 그리스어에서 전체를 뜻하는 홀로 와 메시지를 의미하는 그램의 합성어로, 빛의 진폭, 위상, 편광 등을 포함하는 전체 정보를 의미한다. 따라서 홀로그램 정보를 획득할 수 있고, 또한 홀로그램을 표현할 수 있는 입체영상 디스플레이가 있다면, 우리가 살고 있는 3차원 현실세계를 완벽하게 재현해 낼 수 있게 될 것이다. 즉, 입체영상 디스플레이가 재현해 내는 가상현실에서 소비자는 마치 현실에 있는듯한 착각에 빠질 것으로 예상된다.
  홀로그램 정보를 획득하기 위해서는 빛의 간섭 특성을 이용해야 한다. 레이저 빛을 2개로 분리하여 하나의 빛은 물체를 통과하거나, 물체에서 반사되도록 한 후에 홀로그램 필름에 입사하도록 하고, 다른 하나의 분리된 빛은 홀로그램 필름에 직접 입사하도록 하면 간섭무늬를 얻을 수 있는데 이게 바로 홀로그램 정보가 된다, 홀로그램 정보를 재현하려면, 홀로그램 기록에 사용했던 동일한 레이저를 홀로그램 필름에 조사하면 완벽한 입체 영상이 나타난다. 이러한 홀로그램 획득 및 재현은 1948년에 Gabor가 X선 홀로그램을 발명한 이후 시작되었고, 이후 수많은 개선과 보완이 이루어져, 최근에는 고급 미술품이나 공예품들의 기록 및 재현에 사용되고 있다[1]. 하지만, 홀로그램 정보를 기록하기 위하여 감광 필름을 이용하는 아날로그 홀로그램은 홀로그램 정보를 획득하기 위해서는 레이저를 포함한 복잡한 광학 시스템이 필요하다는 점과, 또한 홀로그램 정보가 기록되어 있는 감광필름의 변질 우려가 있고, 무엇보다도 동영상을 표현할 수 없다는 단점들이 있다.
  최근에 컴퓨터 성능의 획기적인 발전과 공간광변조기의 개발에 의하여, 홀로그램 기록은 컴퓨터에 의한 수치계산으로 대체하고, 홀로그램 재생은 공간광변조기를 사용하는 디지털 홀로그램이 많은 연구자들의 주목을 받고 있다. 공간광변조기는 2000년대부터 활발히 연구가 진행되었고, 주로 액정을 이용한 LCoS(Liquid Crystal on Silicon)나 마이크로 거울을 이용한 DMD(Digital Micromirror Device)가 많이 연구돼왔다. 공간광변조기는 수많은 픽셀로 이루어진 소자를 의미하는 말로, 각각의 픽셀은 독립적으로 빛의 진폭과 위상, 그리고 편광을 변조시킬 수 있어야 한다. 공간광변조기의 픽셀 크기는 홀로그램 재현이 가능한 시야각 특성을 제어하는 변수로, 시판되는 공간광변조기의 최소 픽셀 크기는 약 3.5μm이다. 공간광변조기의 픽셀 크기가 빛의 파장보다 큼으로써 나타나는 부작용으로 시청자들이 시각적 피로감을 느끼거나, 또는 시야각 한계에 의한 시청의 불편함 등이 있다. 이러한 문제점들을 극복하고 공간의 제약을 받지 않으며 자유롭게 정보의 제공이 가능하도록 하기 위해서는 공간광변조기의 픽셀크기를 빛의 파장정도로 낮추는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 초고집적 및 초고해상도를 갖는 미래형 홀로그램 디스플레이 기술의 필수적인 핵심 개발 기술로 떠오르고 있다.

그림 1. 기존 입체영상 디스플레이 한계 극복을 위한 능동 메타소재 개발의 필요성

2. 메타소재 및 광학소자

빛을 반사, 굴절, 회절시키기 위해서 고전적으로 사용하는 방법은 렌즈, 프리즘 등의 광학 소자를 이용 하는 것으로, 빛이 광학 소자의 두께가 다른 부분을 통과함으로써 발생하는 위상변화(빛이 진행하면서 겪게 되는 광경로 차이)를 이용하여 빛의 진행 방향을 반사, 굴절, 회절시켜 왔다. 고전적인 방법으로 우수한 광학소자를 만들기 위해서는 물질의 고유 특성인 굴절율에 많이 의존하게 되는데, 원하는 특성을 가진 물질이 존재하지 않으면 광학소자 제작이 어려워진다는 단점과 일반적으로 광학소자의 부피가 크다는 단점이 있다. 광학소자의 부피를 줄이면서도 빛의 위상을 조절하기 위하여 개발된 소자가 DOE(Diffractive Optical Element)다. DOE는 표면에 미세한 요철을 제작하여 빛의 상대적인 위상을 제어하는 광학소자로 많은 응용이 되고 있지만, 픽셀 크기가 빛의 파장보다 크기 때문에, 나타나는 시야각의 한계 등의 단점을 그대로 가지고 있다.
  빛의 파장보다 작은 픽셀 크기를 가지면서 빛의 위상과 진폭, 편광 등을 제어할 수 있는 메타소자에 대한 연구가 최근에 많이 이루어져 왔다. 메타 소자는 픽셀을 이루는 형상, 즉 크기, 방향, 피치 등의 특성이 빛을 제어하는 요소로 작용하여 기존에 존재하지 않았던 여러 가지 특성(음의 굴절율 소재)을 가능하게 해주었다. 메타소재는 메타 물질에 포함되는 개념이다. 메타물질은 반도체 공정을 이용해서 제작된 패턴 등에 의해 그 특성을 조절할 수 있는 물질을 뜻한다. 메타소재는 메타물질을 구성하는 소재를 가리키며, 소재 조성과 형상 등 유효매질에 따라 특성 조절이 가능한 소재라고 구분하여 정의할 수 있다. 홀로그램용 메타소재는 메타물질을 구성하는 유효매질 소재로 고속 응답/능동, 고효율/고굴절율. 고재현성/고안정성 등의 특성이 요구된다.

그림 2. 메타물질과 메타소재의 정의

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