연구/논문 수상소식

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기계.화공 노준석교수, 2021년 국가연구개발 우수성과 100선 선정

분류
연구/논문 수상소식
작성일
2021.11.11 14:18:13 ( 수정 : 2021.11.11 14:29:04 )
조회
141
작성자
김태영

[​기계소재분야] 2021년 국가연구개발 우수성과 100선 선정 

 


[기계·화공 노준석교수]


손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 바꾸는 ‘아이언맨’ 홀로그램 원천 기술 개발

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 메타물질, 즉 메타표면 장치는 머리카락 두께의 1,000분의 1 수준인 수 백 나노미터의 두께를 갖는 초박막/초경량/ 초소형 광학 소자로, 초소형 홀로그램 기술, 초박막 렌즈장치, 구조색 기반 반사형 디스플레이 등의 다양한 응용 분야에 접목되고 있다. 하지만 기존 메타표면을 이용한 장치의 효용성 및 상업성은 크지 못하였는데, 그 이오는 메타표면 광학 장치는 한 번 소자를 제작하면 그 광학적 특성을 바꿀 수 없어, 처음 프로그래밍된 하나의 이미지만을 공간에 구현하는 데 그쳤다. 이에 연구팀은 외부 자극에 반응해 광학적 특성을 쉽게 바꿀 수 있는 액정(liquid crystal)을 메타물질에 접목하였다.

 

가변형 메타표면 광학 소자 구현을 위해 빛의 편광 및 진행 방향 등과 같은 입사되는 빛의 특성에 따라 광특성이 변조되는 소자나 VO2, Ge2Sb2Te5 및 IGZO 등과 같은 상변화 물질을 접목한 가변형 소자 연구가 지속적으로 보고되고 있지만, 가시광선 영역에서 급격하게 광학적 특성을 변조하는 것은 매우 어려운 일이었다. 특별히 상변화 물질을 접목한 연구들이 미국 하버드대학교, 캘리포니아공과대학교 및 스탠포드대학교의 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 대부분이었다. 하지만 본 연구에서는 편광멀티플렉싱된 메타광학소자와 외부자극에 반응하는 기능성 액정 광변조기를 접목해, 가시광선 전 영역에서 매우 높은 효율을 가지며 또한 새로운 응용 분야를 개척할 수 있는 신개념 광학 소자를 개발할 수 있었다.

 

구체적으로 메타표면에 특별하게 고안된 액정 기반 광변조기(light modulator)을 결합, 액정 셀의 재료(5CB, E7 등)와 디자인(셀 두께, 액정 초기 배열 등)에 따라 손가락 터치나, 전압 또는 열과 같은 다양한 외부 자극에 반응하도록 했다. 이런 다양한 외부 자극에 반응하여 재생되는 홀로그램 이미지를 실시간으로 변조할 수 있는 기술을 세계 최초로 구현하였고, 연구의 우수성이 입증되어 Advanced Materials 표지논문으로 선정되기도 하였다 (Advanced Materials 32, 2004664, 2020). 본 연구에서 소개된 메타홀로그램 기술은 본 연구팀이 지난 2019년 및 2020년 초에 개발한 편광 및 양방향 멀티플렉싱 메타홀로그램(Laser Photonics Reviews 13, 1900065, 2019; Nanoscale Horizons 5, 57-64, 2020)을 한 단계 더 진보시켜, 스위칭 되는 홀로그램 이미지들 간의 잔상효과는 더욱 줄이면서, 효율 또한 향상된 메타표면 기술을 사용하여 구현되었다.

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 메타광학 소자에 접목하는 것이다. 이를 통해 새로운 형태의 광학 기반 환경센서, 바이오메디컬센서 등을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 실제로 2021년 4월 본 연구팀은 이러한 후속 연구를 통해 초민감 웨어러블 홀로그램 가스센서를 개발하여, Science Advances에 연구 결과를 보고하였고, 연구 결과는 Featured Cover Image로 선정되었다 (Science Advances 7, eabe9943, 2021). 두 번째로는, 본 연구팀이 지속적으로 연구 중에 있는 평면 광학 기술을 한 단계 더 진보시키는 방향의 연구이다. 최근 (2020년 10월과 2021년 5월) 본 연구팀이 Nature Nanotechnology에 보고한 빛의 궤도각 운동량 정보에 따라 수백 개의 홀로그램 이미지 정보를 하나의 장치에 저장할 수 있는 기술 (Nature Nanotechnology 15, 948-955, 2020)과 초소형 LiDar 기술 (Nature Nanotechnology 16, 508-524, 2021)을 액정과 접목하여, 앞서 언급한 실제 초소형 3D 홀로그래픽 비디오 재생 광학 소자 및 인터랙티브 라이다를 구현하는 연구를 진행해 볼 수 있을 것으로 기대된다.

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