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[연재 2] 홀로그램 기술 분야의 최신 연구동향

노준석 (POSTECH 기계공학과/화학공학과) 2020-05-08

1947년 헝가리 출신의 과학자 데니스 가보르(Dennis Gabor)는 홀로그래피(Holography)라는 개념을 처음으로 제시하였다. 홀로그래피의 어원은 ‘전체’를 의미하는 그리스 단어인 ‘Holo’와 ‘기록하다’라는 의미의 ‘Graphy’가 합쳐진 단어로서, 어원에서 알 수 있듯이 홀로그래피는 무언가의 ‘전체를 기록’하는 기술이다. 조금 더 자세히 설명하자면, 홀로그래피는 빛이 가질 수 있는 대표적인 정보인 위상과 세기 정보를 동시에 저장하는 기술이며, 이 홀로그래피에서 파생된 기술이 홀로그램 기술이다.

홀로그램은 우리가 잘 알고 있듯이 빛의 세기 정보만 전달하는 TV 또는 빔 프로젝터 방식의 2차원 형태의 평면 투사 영상과 다르게, 저장된 빛의 세기 및 위상 정보를 바탕으로 3차원 공간 상에 입체감 있는 영상을 띄울 수 있는 기술이다. 공상 과학 영화의 단골 소재로 사용되는 이 홀로그램 기술은 더 이상 상상의 영역에만 머물러 있지 않다. 우리는 현재 일상에서 다양한 형태의 홀로그램 기술을 경험하고 있고, 더 나아가 가상(Virtual Reality, VR) 및 증강(Augmented Reality, AR) 현실 기술의 발전으로 인해 더욱 생동감 있는 형태의 홀로그램 기술을 마주하고 있다.

하지만 홀로그램 디스플레이를 마치 영화 스타워즈나 아이언맨에서 볼 수 있는 ‘빛이 맺히는 디스플레이 없이 3차원 공간 상에 이미지를 재생하는 기술’로 엄밀하게 정의한다면, 현재 일상에서 마주하는 다양한 형태의 홀로그램, 예를 들면 아이돌 가수의 콘서트 현장에서의 홀로그램 영상 및 AR/VR 안경을 쓰고 보는 홀로그램 영상 등은 유사홀로그램 기술로 볼 수 있다.

현재 전 세계 연구자들은 다양한 형태의 홀로그램 기술을 연구 중에 있는데, 그 예 가운데 하나로 체적 디스플레이(Volumetric Display)와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적으로 2018년 미국 Brigham Young University의 Daniel Smalley 교수 연구팀은 앞서 언급한 엄밀한 정의에 부합하는 홀로그램 디스플레이 기술을 세계 최초로 개발하였다 [1]. 연구팀은 photophoretic optical trap, 즉 광 동력 광학 집게 기술을 이용해 3차원 공간 상에 셀룰로오스 알갱이를 띄우고, 여기에 빛의 3원색에 해당하는 빨강/초록/파랑 빛을 비춰주어서 사방에서 알갱이로부터 산란되는 빛을 사방에서 관찰할 수 있도록 만들었다. 자외선 파장대의 빛을 흡수하는 셀룰로오스 알갱이는 온도 구배에 따른 광 동력을 받으며, 자외선 빛의 초점이 맺히는 부분에 공중부양 형태로 떠 있을 수 있다. 따라서 빛의 초점이 움직이는 대로 셀룰로오스 알갱이는 공간 상의 다양한 위치로 움직일 수 있고, 매우 빠르게 움직이는 알갱이의 잔상을 통해 관측자는 3차원 형태의 영상을 인식하게 된다. (Figure 1)

이 연구에서 한 걸음 더 나아가 영국 University of Sussex의 Sriram Subramanian 교수 연구팀은 손으로 만질 수 있으면서 동시에 오디오 정보도 동반할 수 있는 멀티모드 3차원 홀로그램 디스플레이 기술을 개발하였다 [2]. 앞서 소개한 기술과 다르게, 본 연구에서는 초음파를 통해 공중에 입자를 띄우는 방식을 이용했다. 초음파를 이용한 방식은 광학적 방식보다 더 빠르게 입자를 움직일 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 트랜스듀서 어레이를 통해 더 넓은 영역에서 홀로그램 이미지를 띄울 수 있는 장점이 있다. 이와 더불어 트랜스듀서 어레이가 있는 판 근처에 사람 손이 들어가게 되면 시그널 변화를 통해 물체를 감지할 수 있고, 이를 바탕으로 촉각에 민감한 홀로그램 기술을 구현할 수 있다. 그리고 이러한 시각적, 촉각적 정보와 함께 가청 주파수 영역으로 오디오 기능까지 추가하여 시각/촉각/청각 정보를 모두 제공하는 멀티모드 홀로그램 디스플레이 기술을 구현할 수 있다. (Figure 2, 3)

[영상 링크: https://www.youtube.com/watch?v=Tm8JRlJ1q50]

또 다른 홀로그램 기술의 연구 방향은 하드웨어와 관련된 연구 방향이다. 현재 상용화된 AR/VR 디스플레이 기기는 부피가 매우 크고, 무게도 상당해서 오랜 시간 사용하는데 큰 어려움이 있고, 좁은 시야각의 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 ‘메타물질’(Metamaterial)이라는 새로운 광학 소자를 통해서 홀로그램 기술을 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 메타물질이란 자연계에 존재하지 않고, 사람에 의해 인공적으로 만들어진 물질로, 빛의 파장 보다 작은 나노 구조의 배열을 통해 사용자가 원하는 형태로 빛을 조절할 수 있는 새로운 개념의 광학 시스템이다. 이러한 메타물질을 이용하게 되면, ‘머리카락 보다 수 백배 얇은 두께’의 나노 구조를 통해 초소형 렌즈 및 홀로그램 생성 장치를 구현할 수 있다. 메타물질을 구성하는 나노 구조의 크기 및 형태를 정교하게 조절하게 되면, 빛의 세기와 위상을 조절할 수 있게 되면서, 홀로그램을 통해 구현하고자 하는 물체의 정보를 수 백 나노미터 수준의 매우 얇고 가벼운 광학 소자에 저장할 수 있고, 이를 통해 재생되는 홀로그램 기술을 ‘메타홀로그램’이라 명명한다. 메타홀로그램의 경우에는 픽셀 사이즈가 수 백 나노미터 수준이기 때문에, 매우 높은 화질의 홀로그램 영상을 재생할 수 있을 뿐만 아니라 시야각도 매우 넓어서 기존의 공간 광 변조기 (spatial light modulator, SLM)기반의 홀로그램 디스플레이가 가진 단점들을 극복할 수 있는 새로운 기술로 여겨지고 있다.

2015년 영국 University of Birmingham의 Shuang Zhang 교수 연구팀은 80% 이상의 회절 효율을 갖는 메타홀로그램 기술을 세계　최초로 구현하였다 [3]. 구체적으로 Computer generated hologram 기술을 바탕으로 홀로그램을 통해 구현하고자 하는 물체의 위상 정보를 컴퓨터 알고리즘으로 추출한 뒤에, 각 픽셀에 해당하는 나노 구조를 배열함으로 메타원자들을 디자인 하게 된다. 각 메타원자는 금속-유전체-금속 나노 구조로 구성된 250nm 두께의 초박막 메타물질을 바탕으로 재생되는 홀로그램은 매우 고화질의 이미지를 띄울 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 시야각도 동시에 제공한다.

하지만 금속을 사용한 메타물질의 경우에는, 가시광선 영역에서 금속의 높은 광 손실 특성 때문에 가시광선 전 영역에서 작동하는 높은 효율을 갖는 메타홀로그램을 만드는 것은 불가능하였다. 이러한 이유로 연구자들은 새로운 물질을 탐색하기 시작하였고, 2016년 미국 Harvard University의 Federico Capasso 교수 연구팀은 유전체 물질 가운데 하나인 산화타이타늄을 이용해 가시광선 전 영역에서 70% 이상의 높은 효율을 갖는 메타홀로그램 기술을 구현하였다 [4].

하지만 산화타이타늄의 경우에는 공정이 극히 어려울 뿐만 아니라, 공정 가격도 매우 비싸서 메타홀로그램을 실용화 하는데 걸림돌이 되었다. 이를 극복하고자 2017년 포항공대 노준석 교수 연구팀은 수소화 비정질 실리콘을 이용해 효율도 높으면서 동시에 CMOS 공정을 통해 대량 생산이 가능한 실용적인 메타홀로그램 광학 소자를 개발하였다. 포항공대 연구팀은 반도체 공정의 주 재료인 실리콘을 바탕으로 높은 반사 효율을 갖는 푸리에 메타홀로그램을 구현하였으며, 또한 더 나아가 레이저 등과 같은 결맞음이 있는 빛이 아닌 태양광과 같은 자연광 아래에서도 선명한 홀로그램 이미지를 띄울 수 있는 메타홀로그램 기술을 구현하였다 [5]. 이는 향후 메타홀로그램 기반 초소형 위변조 방지 스티커 및 반사형 디스플레이 기술 등에 접목될 수 있을 것으로 기대된다.

현재 대부분의 메타홀로그램의 경우에는 추가 광학계 없이 나노 구조 상에 인코딩 된 세기 및 위상 정보만을 통해 홀로그램 이미지를 생성하기 때문에, 앞서 소개한 체적 디스플레이에서 보여지는 것과 같이 다양한 이미지를 풀컬러(full-color) 형태 또는 실시간으로 동영상을 생성하는 것이 극히 어렵다. 따라서 이를 극복하고자 다양한 방식의 메타표면 설계 기술이 보고되고 있는다.

기존의 메타표면은 대부분 한 파장에서만 원하는 위상값을 갖게 설계 되었기 때문에, 다중 컬러를 구현하기 위해서는 더 많은 픽셀을 필요하였고 이는 홀로그램 이미지의 해상도 저하시키는 요인이 되었다. 2019년 포항공대 노준석 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 고해상도 멀티 컬러 홀로그램 구현을 위한 파장 분리형 메타표면 설계 기술을 보고하였다. 하나의 메타표면 구조는 532 nm 및 633 nm 파장에서 독립적인 위상을 가질 수 있도록 설계되었고, 이를 통해 멀티 컬러 홀로그램 기술을 구현할 수 있었다 [6].

또한 메타표면 제작 과정 중에 광학적 특성이 고정되는 메타홀로그램의 단점을 극복하고자 다양한 형태의 능동 메타표면 기술이 연구되고 있다 [7]. 2018년 독일 Max Planck Institute의 Laura Na Liu 교수 연구팀은 마그네슘 나노 구조와 수소 가스 반응을 통해 실시간으로 홀로그램 이미지를 스위칭 할 수 있는 기술을 보고하였다. 2019년 서울대학교 이병호 교수 연구팀은 대표적인 상변화 물질인 Ge2Sb2Te5 (GST)를 사용해 온도 변화를 통해 근적외선 영역에서 홀로그램 이미지를 실시간으로 바꿀 수 있는 기술을 보고하였다 [8]. 또한 2019년 포항공대 노준석 교수 연구팀은 간단하게 입사되는 빛의 편광 또는 방향을 바꾸었을 때, 서로 다른 홀로그램 이미지를 생성할 수 있는 기술을 보고하였다 [9, 10].

본 글에서 두 가지 방향의 홀로그램 최신 연구 동향(3차원 체적 디스플레이 및 메타홀로그램 기술)을 소개하였다. 이 두 분야는 현재도 매우 활발히 학계에서 연구가 되고 있으며, 머지 않은 미래에는 더 컴팩트한 초소형 형태의 디바이스를 통해 사용자와 인터랙티브가 가능하면서 동시에 시청각 정보를 모두 전달할 수 있는, 더욱 생동감 있는 3차원 입체 홀로그램 영상을 보게 될 수 있을 것으로 기대된다.

참고논문

[1] D. E. Smalley et al., A photophoretic-trap volumetric display. Nature 553, 486-490 (2018).

[2] R. Hirayama et al., A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping. Nature 575, 320-323 (2019).

[3] G. Zheng et al., Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology 10, 308-312 (2015). [4] R. C. Devlin et al., Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum. PNAS 113, 10473-10478 (2016).

[5] I. Kim et al., Dielectric meta-holograms enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano 11, 9382-9389 (2017).

[6] G. Yoon et al., Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics 2, 129 (2019).

[7] J. Li et al., Addressable metasurfaces for dynamic holography and optical information encryption. Science Advances 4, eaar6768 (2018).

[8] C. Choi et al., Metasurfaces with nanostructured Ge2Sb2Te5 as a platform for broadband-operating wavefront switching. Advanced Optical Materials 7, 1900171 (2019).

[9] I. Kim et al., Spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser and Photonics Reviews 13, 1900065 (2019).

[10] I. Kim et al., Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize efficient direction-multiplexed visible meta-hologram. Nanoscale Horizons 5, 57-64 (2020).

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