영화 ‘블랙 팬서’처럼 현실에서도 서로 다른 장소에서 서로 다른 정보를 주고받는 일이 가능해진다.

노준석<사진> 포스텍 기계공학과·화학공학과 교수 연구팀은 단일 메타홀로그램 광학소자에서 빛의 입사 방향에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 생성할 수 있는 다기능성 메타홀로그램 소자를 개발했다.

텔레비전이나 빔 프로젝터는 빛의 세기 정보만을 전달하는데 그쳤다면 홀로그램 기술은 빛의 세기와 위상정보까지 저장해 3차원 공간에서도 영상을 재생할 수 있다.

이때 메타물질을 이용하면 사용자가 원하는 형태로 나노구조와 크기, 형태를 바꾸면서 빛의 세기와 위상을 조절할 수 있다.

픽셀 사이즈가 300~400나노미터에 불과한 메타홀로그램은 매우 높은 화질의 홀로그램 영상을 구현할 수 있다.

하지만 지금까지 개발된 메타홀로그램 소자는 빛이 한 방향으로 입사할 때 이미지를 형성했지만 반대로 빛이 입사할 때는 이미지를 형성하지 못했다.

이런 문제를 해결하기 위해 연구팀은 두 종류의 메타표면을 사용했다.

한 종류의 메타표면에는 빛이 앞쪽에서 입사했을 때 위상정보를 갖도록 하고 다른 종류의 메타표면은 빛이 뒤쪽에서 진행할 때 작동하도록 했다.

그 결과 빛의 진행 방향에 따라 실시간으로 서로 다른 홀로그램 이미지를 생성할 수 있음을 확인했다.

또 기존의 메타홀로그램이 갖는 저효율의 단점을 극복하기 위해 실리콘 나노 기둥 안에서 발생하는 이중 자기공명 특성과 반 강자성 공명 현상을 나노 구조 디자인에 접목했다.

이렇게 제작된 메타홀로그램은 60% 이상의 높은 회절 효율을 가짐으로써 눈으로도 매우 선명한 이미지를 관찰 할 수 있었다.

뿐만 아니라 이번에 개발된 메타홀로그램은 실리콘을 이용하기 때문에 기존의 반도체 공정을 그대로 사용해서 제작할 수 있다는 장점도 있다.

양방향에서 작동하는 메타홀로그램은 단순한 하나의 이미지 정보를 제한된 위치에서 보여주는 것을 넘어 서로 다른 위치에 있는 여러 사용자에게 동시에 다양한 정보를 제공할 수 있는 홀로그램 플랫폼이 될 수 있을 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 지역혁신 선도연구센터, 선도연구센터, 미래소재디스커버리사업, 글로벌박사펠로우십사업 지원으로 수행됐으며 연구성과는 세계적인 나노 분야 학술지인 나노스케일 호라이즌 2020년 1월호 표지논문으로 소개됐다.