< 붙임 양식1 >

‘연구성과 카드뉴스’ 제작구성

지원사업		중견연구자사업, 글로벌프론티어사업, 지역혁신선도연구센터사업(RLRC), 미래소재디스커버리사업
과제명		디스퍼션 엔지니어링 기반 하이퍼볼릭 메타물질 개발 및 광소자 응용 (중견연구자지원사업, NRF-2019R1A2C3003129) 증강/가상현실 구현을 위한 메타표면 기반 평면렌즈 및 복소 홀로그램 (글로벌프론티어사업, CAMM-2019M3A6B3030637) 자율형 자동차 부품소재 청색기술 선도연구센터 (지역혁신선도연구센터사업, NRF-2019R1A5A8080290) ZERC 통합 플랫폼 구축 및 smart ZERC 시스템 개발 (미래소재디스커버리사업, NRF-2018M3D1A1058997)
연구자		포항공대 기계공학과/화학공학과 노준석 교수
성과	구분	논문 발표
	논문제목/ 저널명	Stimuli‐Responsive Dynamic Metaholographic Displays with Designer Liquid Crystal Modulators / Advanced Materials
	임팩트 팩터	27.398
성과요약		투명망토 및 음굴절 장치 등을 구현할 수 있는 꿈의 소재로 알려진 메타물질 기술에 액정기술을 접목, 외부자극에 반응하는 초소형 홀로그램 장치를 구현하였습니다.
연구를 시작한 계기나 배경은?		본 연구팀은 2017년도부터 실리콘, 이산화티타늄, 질화갈륨 등의 유전체 물질을 이용해, 메타표면이라 불리는 고효율의 초소형/초박막 형태의 평면광학 소자를 개발해오고 있습니다. 구체적으로, 초박막 렌즈, 초소형 홀로그램 광학 소자, 구조색 기반 컬러필터 등의 미래형 광학소자를 구현하기 위해, 인공지능을 포함한 새로운 설계 공법에서부터 초정밀/대면적 생산기술까지 매우 광범위한 연구를 진행하고 있습니다. 이 분야의 가장 큰 현안은 소자를 제작하고 나서도, 소자의 광학적 특성을 임의로 변조할 수 있는 가변형 메타광학 소자를 구현하는 것입니다. 이를 위해 빛의 편광 및 진행 방향 등의 입사되는 빛의 특성에 따라 광특성이 변조되는 소자나 VO2, Ge2Sb2Te5 및 IGZO 등과 같은 상변화 물질을 접목한 가변형 소자를 구현해보았지만, 가시광선 영역에서 급격하게 광학적 특성을 변조하는 것은 매우 어려운 일이었습니다. 그러던 가운데 여러 자극에 반응하는 액정에 대해서 관심을 가지게 되었고, 이를 이용하여 액정과 메타표면을 결합하는 연구를 모색해보게 되었습니다.
기존 지식/기술과 어떻게 차별화되나? (성과의 차별성)		1 선진연구 추격		2 선진연구와 경쟁			3 세계최초 구현
		본 연구 성과는 메타물질 분야의 전문성을 가진 연구팀과 액정 시스템 분야의 전문성을 가진 연구팀이 합심하여, 나노광학 연구 분야의 큰 현안을 해결한 성과로 생각됩니다. 앞서 이야기한 것처럼, 메타물질 분야에서는 가시광선 대역에서 급격한 광학적 특성을 변조하는 것은 해결하기 어려운 연구 주제였습니다. VO2, Ge2Sb2Te5, ITO등의 상변화 물질을 메타물질에 접목한 연구들이 미국 하버드대학교, 캘리포니아공과대학교 및 스탠퍼드대학교의 리딩 연구그룹을 포함해 전 세계적으로 매우 활발히 진행되고 있으나, 대부분 적외선 영역에서 작동하거나 가시광선 영역에서 작동하더라도 변조폭이 매우 작고, 손실이 매우 커 실효성이 떨어지는 경우가 대부분이었습니다. 하지만 본 연구에서는 편광-멀티플렉싱된 평면광학소자와 외부자극에 반응하는 기능성 액정 광변조기를 접목해, 가시광선 전 영역에서 매우 높은 효율을 가지며 또한 새로운 응용 분야를 개척할 수 있는 신개념 홀로그램 광학 소자를 개발할 수 있었습니다.
이번 성과는 어떤 점에서 혁신적인지? (성과의 혁신성)		1 기존의 방법으로 현안 도출, 해결방안 제시	2 기존 지식을 개선하는 발견/발명		3 알려진 방법으로 기존 지식을 근본적으로 개선	4 새로운 원리에 기반한 차세대 지식의 발견/발명		5 완전히 새로운 발견/발명
		구체적으로, 본 연구에서 구현한 평면광학장치는 액정 기반 광변조기의 디자인 따라 다양한 외부자극에 반응하도록 할 수 있다. 본 연구에서는 각각 전기, 온도 및 터치에 반응하는 액정셀을 제작하여, 이런 다양한 외부 자극에 반응하여 재생되는 홀로그램 이미지를 스위칭 할 수 있는 기술을 세계 최초로 구현하였습니다. 전기에 반응하는 홀로그램 장치의 경우에는 수 ms 이내로 홀로그램 이미지를 빠르게 스위칭 할 수 있고, 온도에 반응하는 장치는 특정 온도(47°C) 이상이 되면 홀로그램 이미지가 스위칭 되며, 터치에 반응하는 장치의 경우에는 가벼운 손가락 터치만으로도 홀로그램 이미지를 빠르게 바꿀 수 있음을 확인하였습니다.
이번 성과의 혜택이나 활용의 수준 (성과의 혜택 및 기대 파급효과)		1 기존에 제공가능한 혜택을 다른 방식으로 제공가능	2 기존에 제공 가능한 혜택보다 향상된 혜택을 제공		3 기존에 제공하지 못한 혜택을 제공	4 수요자의 이목을 끌만한 차별적인 혜택의 향상		5 새로운 지평을 개척할 수 있는 발명/발견
		전기로 스위칭 되는 메타홀로그램 소자는 수 ms 이내로 홀로그램을 스위칭 할 수 있기 때문에, 이론적으로는 현재 영화나 고화질 동영상에 사용되는 60, 120 프레임의 비디오 영상 또한 구현이 가능할 것으로 기대됩니다. 단일 광학 소자에 더 많은 이미지를 인코딩 할 수 있는 방법이 추후에 개발된다면, 실제로 초소형 3D 홀로그래픽 비디오 재생 광학 소자도 구현이 가능할 것입니다. 또한 온도에 반응하는 메타홀로그램 소자는 온도측정 센서로 활용될 수 있다. 온도엔 민감한 식품, 포토레지스트와 같은 화학품 등의 배송 및 보관 중에 특정 온도를 넘어가게 되면, 곧 바로 경고 형태의 홀로그램 이미지가 공간 상에 띄워지며 시각적 알람 기능을 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다. 마지막으로 터치 반응형 메타홀로그램 소자는 가벼운 손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 바꿀 수 있기 때문에, 영화 ‘아이언맨’에서 나오는 미래형 인터랙티브/햅틱 홀로그램 기술을 현실화 할 수 있는 원천 기술이 될 것으로 기대됩니다. 또한 이러한 인터랙티브 홀로그램 기술뿐 만 아니라, 충격에 민감한 고가의 미술품 및 상품에 부착 가능한 충격 감지 센서로 사용될 수 있을 것입니다. 운반이나 배송 과정 중에 외부의 충격이 가해지면 경고 형태의 홀로그램 이미지를 확인하여, 물품의 이상 여부를 즉각적으로 확인할 수 있을 것으로 기대됩니다.
이번 성과가 후속 단계로 발전하기 위해 필요한 과제는? (후속연구 가능성)		본 연구에 대한 후속 연구 방향으로는, 첫 째로, 전압/온도/압력 외에 새로운 자극(예를 들면, 박테리아, 바이러스 또는 화학 물질)에 반응하는 액정 기술을 평면광학 소자에 접목하는 것입니다. 이를 통해 새로운 형태의 광학 기반 환경센서, 바이오메디컬센서 등을 개발할 수 있을 것으로 기대됩니다. 두 번째로는, 본 연구팀이 지속적으로 연구 중에 있는 평면광학 기술을 한 단계 더 진보시키는 방향의 연구입니다. 최근 (2020년 10월) 본 연구팀이 Nature Nanotechnology에 보고한 빛의 궤도각 운동량 정보에 따라 수백 개의 홀로그램 이미지 정보를 하나의 장치에 저장할 수 있는 기술을 액정과 접목하여, 앞서 언급한 실제 초소형 3D 홀로그래픽 비디오 재생 광학 소자를 구현하는 연구를 진행해 볼 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 이외에도 증강/가상현실용 디스플레이 장치, 초박막 가변형 렌즈 및 자율주행자동차용 라이다 센서 등의 실용적인 광학 장치들 또한 개발해나가고자 합니다.

< 붙임 양식2 >

‘연구내용 설명’작성 양식

□ 연구배경

투명망토, 슈퍼렌즈 등의 새로운 광학 기능을 구현할 수 있는 것으로 잘 알려진 인공 물질인 ‘메타물질’을 이용해 미래형 디스플레이 기술인 3D 홀로그래픽 디스플레이, 증강/가상/혼합현실 디스플레이 등을 구현하려는 다양한 연구들이 진행되고 있다. 특히 2차원 형태의 메타물질인 ‘메타표면’ 장치는 머리카락 두께의 1,000분의 1 수준인 수 백 나노미터의 두께를 갖는 초박막/초경량/초소형 형태의 광학 소자로, 초소형 홀로그램 기술, 초박막 렌즈 장치, 구조색 기반의 반사형 디스플레이 등의 다양한 미래 디스플레이 기술의 핵심 소재로 여겨지고 있다. 일례로, 메타표면 기반 초박막 평면렌즈 기술은 현재 휴대폰 카메라 부품의 고질적인 문제로 여겨지는 이른바 ‘카툭튀(카메라가 툭 튀어나온 것을 이르는 말)’ 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되고, 초소형 홀로그램 장치는 현재 시중에서 구할 수 있는 부피가 매우 큰 AR/VR 장치를 우리가 일상에서 사용하는 안경 형태로 소형화 할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 따라 메타표면 기반의 ‘평면광학’ 분야에 대한 관심은 매우 커지고 있고, 대학, 국가연구소 및 기업에 있는 수많은 연구자들이 기초연구에서부터 응용에 이르는 심도 깊은 연구를 매우 활발히 진행하고 있다. 하지만 이러한 메타표면 기반 평면광학 장치의 큰 단점은 한 번 소자를 제작하고 나면 나노 구조체가 기판 상에 고정되기 때문에 소자의 광학적 특성을 바꿀 수 없게 되는 수동형 소자라는 점이다. 즉, 수동형 메타물질로 구현된 홀로그램 장치(메타홀로그램)은 처음 프로그래밍 된 하나의 이미지 밖에 띄우지 못하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 미국 캘리포니아공과대학교, 스탠퍼드대학교 및 UC버클리 등의 리딩 연구 그룹에서는 Indium Tin Oxide (ITO), Ge2Sb2Te5 (GST), Vanadium dioxide (VO2)와 같은 상변화 물질을 이용한 능동형 평면광학 소자를 구현하려는 연구를 매우 활발히 진행하고 있으나, 대부분 적외선 영역에서 작동하거나, 또는 가시광선 영역에서 작동하더라고 변조폭이 매우 작고, 손실이 매우 커 실효성이 떨어지는 경우가 대부분이었다.

본 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 광학 분야에서 전통적으로 사용되고 있는 가변형 광학 재료인 액정을 평면광학 장치에 접목하는 아이디어를 떠올렸다. 본 연구팀은 지난 2019년 및 2020년 초에 개발한 편광 및 양방향 멀티플렉싱 메타홀로그램(각각 Laser Photonics Reviews, Nanoscale Horizons에 보고됨)을 한 단계 더 진보시켜, 스위칭 되는 홀로그램 이미지들 간의 잔상효과는 더욱 줄이면서, 효율 또한 향상된 메타홀로그램을 개발하는 과정 중에 있었다. 이러한 광학 소자에 외부 자극에 따라 원하는 편광상태로 빛을 변조할 수 있는 광변조기를 디자인 및 제작하여 접목해본 결과, 기존의 상변화 물질로는 구현할 수 없던 다양한 형태의 외부 자극-반응형 메타홀로그램 소자를 구현할 수 있었다.

□ 연구내용

메타표면 기반 평면광학 장치는 입사되는 편광에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 재생할 수 있도록 디자인 되었으며, 특별히 나노 구조의 기하학적 위상(geometric phase)* 및 지연위상(retardation)*을 동시에 사용하여, 입사 되는 우원 및 좌원편광에 따라 고화질의 서로 다른 이미지를 재생할 수 있다. 이러한 메타표면 장치에 특별하게 고안된 액정 기반 광변조기(light modulator)*을 결합하였는데, 이 변조기를 어떤 재료를 사용하여, 어떻게 디자인 하느냐에 따라 다양한 외부자극에 반응하도록 할 수 있다. 본 연구에서는 각각 전기, 온도 및 터치에 반응하는 액정셀을 제작 하여, 이런 다양한 외부 자극에 반응하여 재생되는 홀로그램 이미지를 실시간으로 변조할 수 있는 기술을 세계 최초로 구현하였다. 메타표면 장치는 반도체공정을 통해 대량생산에 유리한 수소화 비정질 실리콘을 바탕으로 제작되었으며, 450nm - 700nm의 파장을 갖는 가시광선 영역에서 매우 선명한 홀로그램 이미지를 생성할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 특별히 633nm 파장에서는 60%에 근접하는 회절효율을 보이는 것으로 확인되었으며, 이는 맨눈으로도 매우 선명한 홀로그램 이미지를 관측할 수 있을 정도이다.

* 기하학적 위상 : 나노구조의 기하학적 특성에 따라, 나노구조로부터 투과/또는 반사되는 빛의 위상

* 지연 위상 : 특정한 굴절률을 가진 나노구조로 빛이 투과/또는 반사될 때, 빛이 느려지며 갖게 되는 위상

* 광변조기 : 빛의 세기, 위상, 편광 등의 정보를 외부 자극을 통해 조절할 수 있는 장치

* 수소화 비정질 실리콘 : 수소가 첨가된 비정질 실리콘. 특별히 530nm 미만에서 기존 비정질 실리콘의 경우에는 빛의 손실이 크게 일어나는데, 수소를 첨가하게 되면 이러한 손실을 획기적으로 줄일 수 있음.

* 회절효율 : 나노구조체에 프로그래밍된 위상 정보를 바탕으로 홀로그램 이미지가 생성되는데, 구조체로 입사되는 빛의 세기 가운데 실제 홀로그램 이미지로 생성되는 빛의 세기 비율을 나타냄.

□ 기대효과

전기로 스위칭 되는 메타홀로그램 소자는 수 ms 이내로 홀로그램을 스위칭 할 수 있기 때문에, 이론적으로는 현재 영화나 고화질 동영상에 사용되는 60, 120 프레임의 비디오 영상 또한 구현이 가능할 것으로 기대된다. 단일 광학 소자에 더 많은 이미지를 인코딩 할 수 있는 방법이 추후에 개발된다면, 실제로 초소형 3D 홀로그래픽 비디오 재생 광학 소자도 구현이 가능하다. 또한 온도에 반응하는 메타홀로그램 소자는 온도측정 센서로 활용될 수 있다. 온도엔 민감한 식품, 포토레지스트와 같은 화학품 등의 배송 및 보관 중에 특정 온도를 넘어가게 되면, 곧 바로 경고 형태의 홀로그램 이미지가 공간 상에 띄워지며 시각적 알람 기능을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 마지막으로 터치 반응형 메타홀로그램 소자는 가벼운 손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 바꿀 수 있기 때문에, 영화 ‘아이언맨’에서 나오는 미래형 인터랙티브/햅틱 홀로그램 기술을 현실화 할 수 있는 원천 기술이 될 것으로 기대된다. 또한 이러한 인터랙티브 홀로그램 기술뿐 만 아니라, 충격에 민감한 고가의 미술품 및 상품에 부착 가능한 충격 감지 센서로 사용될 수 있다. 운반이나 배송 과정 중에 외부의 충격이 가해지면 경고 형태의 홀로그램 이미지를 확인하여, 물품의 이상 여부를 즉각적으로 확인할 수 있을 것으로 기대된다.