이웃집과학자

손동작만으로 홀로그램 이미지를 실시간으로 구현하는 영화 '아이언맨' 장면의 실현을 앞당길 기술이 소개됐습니다. 포항공과대학교 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수, 포항공과대학교 화학공학과 김영기 교수 연구팀이 꿈의 소재라는 메타물질에 액정기술을 접목, 외부자극에 반응하는 초소형 홀로그램 장치를 개발했다고 밝혔습니다. 

• 메타물질

자연에 존재하지 않는 인공물질로, 투명망토, 슈퍼렌즈, 음굴절 장치 등 새로운 광학기능을 구현할 수 있는 꿈의 소재로 불립니다.

머리카락 두께의 1,000분의 1 수준의 초박막, 초경량 및 초소형 광학소자인 메타표면을 이용해 3D 홀로그래픽 디스플레이, 증강·가상· 혼합현실 등 미래형 디스플레이를 구현하려는 연구가 활발합니다. 하지만 기존 메타표면을 이용한 장치는 한 번 소자를 제작하면 그 광학적 특성을 바꿀 수 없어 처음 프로그래밍된 하나의 이미지만을 공간에 구현하는 데 그쳤습니다.

이에 연구팀은 외부 자극에 반응해 광학적 특성을 쉽게 바꿀 수 있는 액정(liquid crystal)을 메타물질에 접목했습니다. 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 했습니다.

실제 전압에 반응하도록 고안된 액정을 접목한 경우 0.8V 또는 1V에 전압을 걸어주면, 수 ms 이내(1밀리초=0.001초)로 홀로그램 이미지를 빠르게 변환할 수 있습니다. 온도에 반응하는 액정을 접목한 장치는 특정 온도(47°C) 이상이 되면 홀로그램 이미지가 스위칭 됩니다. 터치에 반응하도록 디자인으로 된 장치는 10kPa에서 0.01MPa 사이의 가벼운 손가락 터치만으로도 홀로그램 이미지를 빠르게 바꿀 수 있었습니다.

특히 450nm - 700nm의 파장을 갖는 가시광선 영역에서 매우 선명한 홀로그램 이미지를 생성할 수 있는 것으로 나타났다. 한편 연구팀은 이 장치를 미생물이나 화학물질을 검출하는 센서에 접목하기 위한 연구를 지속할 계획입니다. 개발된 초소형 홀로그램 장치는 고화질 홀로그래픽 비디오 재생 광학소자, 온도감응형 홀로그램 센서, 미래형 인터랙티브·햅틱 홀로그램 기술을 앞당길 실마리가 될 것으로 기대됩니다. 이번 연구 성과는 <Advanced Materials> 에 게재됐습니다.

##참고자료##

•   Stimuli-Responsive Dynamic Metaholographic Displays with Designer Liquid Crystal Modulators,Advanced Materials(2020)