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    (연구자인터뷰)

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    • 노준석 교수
      메타 홀로그램 차세대 반사형 디스플레이 기술
      노준석 교수(POSTECH 기계공학과/화학공학과)
      이메일:Jsrho at Postech.ac.kr
      장소:서면 인터뷰
      54 0 0

    안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!

    반사형 디스플레이에 대해 알고 계시나요? 반사형 디스플레이는 별도의 광원 없이 외부의 빛을 이용하여 정보를 표시하는 디스플레이입니다. 밝으면서도 전력 소모가 적은 것이 특징인데요. 이번 인터뷰에서 만나보실 분은 실리콘의 이중 자기공명 현상을 이용, 휴대폰 플래시 같은 간단한 조명으로도 홀로그램 이미지를 만들어 내는 메타홀로그램을 구현하신 분이십니다. 노준석(포항공대 기계공학과) 교수님께 자세한 설명 들어보도록 하겠습니다.


    1. 현재 하시고 계신 연구에 대해서 소개를 부탁드립니다.

    포항공대 나노스케일 포토닉스 및 통합생산 연구실(photonics.postech.ac.kr)에서는 빛과 물질의 상호 작용을 나노 수준에서 연구하는 나노광학과 관련된 이론 및 실험 분야에 대해 연구하고 있습니다. 이 가운데 메타물질이란 분야를 집중적으로 연구하고 있는데, 메타물질이란 자연계에 존재하지 않는 새로운 광학적, 전자기적, 음향학적, 역학적 물성을 나타낼 수 있는 모든 것을 통칭합니다. 저희는 특별히 광학 및 전자기 메타물질에 큰 관심을 갖고 있으며, 구체적인 응용 분야로는 투명망토, 음굴절 물질, 초고해상도 광학렌즈, 초박막형 렌즈 및 홀로그램 디바이스 등을 연구하고 있습니다. 또한 이러한 메타물질을 제작하고 실용화하기 위한 나노 공정 및 나노 생산공학과 관련된 연구들도 진행 중에 있습니다.   


    2. 기존 홀로그램 기술과 어떤 차이가 있나요?

    기존의 홀로그램은 공간 광변조기(spatial light modulator, SLM)을 이용하여 공간 상에 홀로그램 이미지를 띄우는 기술입니다. 이러한 기존의 홀로그램 픽셀 크기가 마이크로미터 크기이고 각 픽셀에 저장할 수 있는 정보의 한계가 있습니다. 이러한 전통적인 홀로그램 기술과 다르게, 메타홀로그램은 픽셀의 크기가 수백 나노미터이기 때문에, 분해능을 수백배 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 (즉 노이즈 없이 더욱 선명한 홀로그램 이미지를 얻을 수 있음), 더 정교하게 위상 정보를 인코딩 할 수 있기 때문에 많은 정보를 저장할 수 있는 큰 장점이 있습니다. 또한 무엇보다 메타홀로그램 디바이스의 경우에는 수십 나노미터의 나노 구조 만으로도 홀로그램 이미지를 띄울 수 있기 때문에, 초박형, 초소형 디바이스로의 응용가능성이 있습니다.



    3. 메타홀로 그램 개발의 주안점 및 응용에 대해서 말씀해 주세요.

    현재까지 메타홀로그램은 다양한 방식으로 구현이 되어왔는데요, 그 가운데 크게 금속을 이용한 경우와 유전체를 이용한 경우로 나눌 수가 있습니다. 금속을 이용한 메타홀로그램의 경우에는 높은 굴절률과 반사 특성으로 인해 매우 얇은 두께 (약 수십 나노미터) 구조로도 메타홀로그램을 구현할 수 있는 장점이 있는 동시에, 단파장 가시광선 영역에서는 (예를 들면 초록색, 파란색 영역) 작동할 수 없다는 단점이 있었습니다. 이를 극복하고자 유전체를 이용한 가시광선 홀로그램 연구가 진행되어왔는데, 그 중에 산화타이타늄을 이용한 메타홀로그램이 각광을 받았습니다. 산화타이타늄은 가시광선 전 영역에서 손실이 거의 없지만, 굴절률은 2-3정도로 많이 크지 않아서 나노 구조로부터 산란된 빛이 원하는 위상차가 생기게 하기 위해서는 (즉 빛을 어느 정도 오래 가두어두기 위해서는) 높이가 600nm 이상인 나노 구조를 제작해야만 했습니다. 따라서 산화타이타늄을 사용하게 되면 나노 공정이 무척 어려워질 뿐만 아니라, 공정 비용도 수 천만원에 이르기 때문에 상용화에 큰 걸림돌이 되었습니다. 따라서 저희는 실리콘을 이용하였고, 위에 언급한 이중 자기 공명 현상을 바탕으로 빛을 효과적으로 오래 가두어 둘 수가 있었고, 이를 통해 비교적 낮은 높이의 나노 구조로도 (150nm-200nm 수준) 메타홀로그램을 구현할 수 있었습니다. 공정과 효율 2가지 관점에서 실리콘 기반의 메타홀로그램은 큰 장점이 있다고 할 수 있습니다. 비정질 실리콘 메타홀로그램을 이용하여 고효율의 반사형 푸리에 홀로그램과 이미지 홀로그램을 구현하였고, 특별히 이미지 홀로그램의 경우에는 편광에 상관없이 작동할 수 있기 때문에 휴대폰 불빛을 비춰도 선명한 홀로그램 이미지를 관측하였습니다. 또한, 가시광선 전 영역에서 작동하는 것을 확인하였습니다. 이러한 장점을 바탕으로 향후 차세대 에코 디스플레이 기술로 여겨지는 저전력 반사형 디스플레이 또는 위조 방지 홀로그램 기술 등에 응용될 수 있을 것 같습니다.



    4. 메타 홀로그램의 국내외 동향을 알려주세요.

    현재 메타홀로그램과 관련된 연구는 원천 기술 연구와 실용화 연구로 나누어서 진행되고 있습니다. 메타홀로그램 원천 기술이 가장 앞서있는 미국 Harvard 대학교의 Federico Capasso 교수팀은 최근에 편광에 따라 서로 다른 이미지를 띄울 수 있는 편광 의존 푸리에 홀로그램 기술을 개발하였습니다. (Phys. Rev Lett. 118, 113901 (2017)) 현재까지 개발된 푸리에 홀로그램의 경우에는 우원편광/좌원편광에 관계없이 동일한 이미지를 띄웠던 반면에, Harvard 대학교 연구팀의 경우에는 기하 위상 및 진행 위상의 개념을 동시에 이용해 편광에 따라 다른 이미지를 나타내는 새로운 홀로그램 디바이스를 개발하였습니다. 또한 메타홀로그램을 이용한 실용화 연구와 관련되어서는 영국 Birmingham 대학교의 Shuang Zhang 교수팀이 매우 활발히 연구를 진행하고 있습니다. 2015년에 Shuang Zhang 교수 연구팀은 금속-유전체-금속 구조의 메타물질을 이용해서 세계에서 가장 효율이 높은 반사형 홀로그램을 구현하였고 (Nat. Nanotechnol. 10, 308, (2015)), 2017년에는 비선형 광학 현상을 이용해 홀로그래픽 이미지를 암호화 할 수 있는 기술을 개발하였습니다. (Nano Lett. 17, 3171, (2017)) 또한 최근에는 고스트 이미징 기법을 이용해서 암호 도용이 원천적으로 불가능한 암호화 홀로그램 시스템을 개발하였습니다. (Sci. Adv. 3, e1701477, (2017))


    5. 연구의 극복해야 할 과제와 현재의 문제점이 있으신지? 

    메타물질이 활발히 연구되어 온 지 어느덧 15년이 지나고 있습니다. 현재까지는 메타물질을 이용한 새로운 물리 현상에 관련된 연구가 실험실 수준에서 주로 이루어졌지만, 이제는 이렇게 개발된 원천 기술이 실제 우리 생활에 접목될 수 있도록 돕는 실용화 연구가 뒷받침되어야 합니다. 구체적으로는 메타물질의 재료 선정에서부터 나노 공정 방법 등을 고려한 총체적인 연구가 진행되어야 합니다.

    예를 들면, 앞서 언급했던 산화타이타늄을 이용한 메타홀로그램 디바이스를 제작하려면 원자층 증착 기술을 사용해야하고 그렇게 되면 하나의 디바이스를 제작하는 데 드는 비용이 수백만원에서 수천만원에 이르게 됩니다. 이러한 단점을 극복하고자 진행된 연구가 저희가 진행했던 비정질 실리콘 기반의 홀로그램입니다. 실리콘을 이용하게 되면 산화타이타늄을 사용한 디바이스보다 효율이 약간은 떨어지지만 공정 단가는 1/10 또는 1/20 까지 줄일 수 있게 됩니다. 또한 최근에는 대만 연구팀에서는 질화갈륨을 이용해서 조금 더 효율이 높고 공정 단가는 낮은 메타홀로그램 디바이스를 구현하는 연구를 진행하고 있습니다. 또한 현재 모든 홀로그램 소자는 전자빔 리소그래피 기술에 기반해서 제작이 되고 있어서 공정 비용이 매우 비싸고 제작 시간이 오래 소요된다는 단점이 있기 때문에, 새로운 형태의 대량생산 나노 공정 플랫폼이 필요한 상황입니다.


    6. 앞으로 연구방향 및 목표나 계획이 있으신지요?

    포항공대 나노스케일 포토닉스 및 통합생산 연구실에서는 나노 광학 및 생산공학과 관련된 다양한 연구들을 진행해왔습니다. 저희 실험실에서 진행하고 있는 연구 방향은 크게 3가지로 연구 방향을 구분할 수 가 있을 것 같습니다. 첫 번째로는, 3차원 메타물질의 근본 물리 현상과 설계에 관한 연구입니다. 첫 번째로는, 3차원 메타물질의 근본 물리 현상과 설계에 관한 연구입니다. 예를 들면, 살아있는 세포를 일반적인 광학 현미경으로 관찰할 수 있는 초고분해능 이미징 기술을 위한 하이퍼볼릭 메타물질 기반의 하이퍼렌즈, 빛을 회절한계 미만으로 집속할 수 있는 초소형 나노레이저를 위한 하이퍼볼릭 메타물질 기반의 나노공진기, 손대칭성 특성을 임의로 조절할 수 있는 스위칭 디바이스 등과 같은 실용적으로 활용될 수 있는 다양한 메타물질을 디자인하고 실험적으로 구현하는 연구를 진행해왔습니다. 두 번째로는, 2차원 메타표면 기반한 새로운 물리 현상 규명 및 응용 기술에 관한 연구입니다. 본 연구팀에서는 2차원 형태로 이루어진 메타표면에서 발생하는 비선형광학 특성, 강한 광자 스핀홀 효과, 인공 환상체 쌍극자 생성 등의 새로운 물리 현상을 규명하는 연구를 진행하고 있으며, 또한 앞서 언급했던 유전체 기반의 메타홀로그램, 컬러 프린팅, 초고해상도 센서 등과 같은 응용 기술 또한 연구 중에 있습니다. 마지막으로는, 메타물질의 실용화를 위해서 가장 필요한 제작 방법에 관한 연구입니다. 현재의 메타물질을 비롯한 나노구조는 제작하기가 극히 어렵고 제작효율이 극히 낮고, 이에 따라 비용이 많이 듭니다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 나노가공 및 나노생산공학과 관련된 연구 또한 진행하고 있다. 예를 들어, 초정밀 전자빔 리소그래피를 이용한 20nm 미만의 정렬 오차를 갖는 3차원 나노 가공 기술, 근접 플라즈모닉을 이용해 초고속/대면적 나노패터닝이 가능한 플라잉 헤드 리소그래피, 대면적 나노패터닝을 위한 나노임프린팅, 자기조립체/나노파티클 기반의 메타물질 합성 등의 기술을 연구하고 있습니다. 앞으로도 본 연구실에서는 위의 3가지 연구 분야를 집중하면서, 동시에 3가지 연구 분야를 융합하면서, 세계 최고 수준의 연구를 수행하고자 합니다. 예를 들어 살아있는 세포를 일반 광학 현미경으로 파장의 10분의1 정도의 생체물질을 실시간으로 관찰할 수 있는 대면적 하이퍼렌즈 플랫폼 및 이미징 기술, 패리티-시간 대칭 붕괴 현상에 기반한 소용돌이 빔을 발진할 수 있는 나노레이저, 복제가 불가능한 메타홀로그램 기술, 비전통적인 바텀업 공정에 기반한 전방향에서 음굴절 및 강한 손대칭성 특징을 보이는 등방성 3차원 메타물질 등과 같은 도전적이면서 메타물질 분야의 선도적인 연구를 진행할 예정입니다.


    7. 같은 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 조언을 부탁드립니다.

    과학과 공학, 기술을 연구한다는 것은 큰 축복입니다. 나 자신 뿐만이 아니라 내가 속한 사회, 국가, 나아가서는 인류를 위해 도움이 되는 일을 하는 것이기 때문에, 사명감을 가지고 또한 즐겁게 해나간다면 좋은 결과를 얻을 수 있을 거라고 생각합니다. 연구는 99번 실패하고 1번 성공하면 아주 잘한 것입니다. 99번 실패하는 동안 좌절하거나 괴로워 하지 말고, 긍정적인 마음으로 “오늘 안되었으니 내일은 이렇게 또 해보자!” 라는 긍정의 마인드로 연구를 한다면, 99번의 실패가 즐거운 경험이 되고 그 경험으로 인해 성장하게 될 것입니다.

     

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