빛 '자전+공전' 동시 제어하는 홀로그래피 기술 세계 첫 개발

빛의 진동과 꼬임 특성을 동시에 제어할 수 있는 새로운 개념의 차세대 홀로그래피 기술이 세계 처음 개발됐다. KAIST는 신종화 신소재공학과 교수 연구팀이 무수한 데이터 전송채널과 고난도 광학 보안 시스템, 미래형 디스플레이 핵심 플랫폼을 만들 수 있는 파장보다 작은 나노 구조체 배열을 가진 메타물질을 개발했다고 4일 밝혔다. 이 메타표면물질은 빛의 성질인 진동 방향을 의미하는 '편광'이나, 나선형으로 꼬이며 진행하는 '궤도 각운동량(OAM)'을 동시에 제어할 수 있는 것이 특징이다. 그동안 각국 연구진은 이를 독립적으로 제어하는 연구를 진행해 왔다. 신종화 신소재공학과 교수는 전화통화에서 "빛의 진동은 지구 자전에, 꼬임은 공전에 비유할 수 있는데, 이를 동시 제어하는 물질로는 세계 처음"이라며 "어떤 빛이 들어오든 그에 맞춰 제어 가능하다"고 설명했다. 연구팀은 머리카락 굵기보다 훨씬 가는은 나노 구조물을 정밀하게 설계해 쌓는 방법으로 '이중층(Bi-layer) 메타표면'을 구현했다. 메타표면은 초미세 인공구조 기반 광학소자로, 빛의 진행 방향과 성질을 자유롭게 조절할 수 있다. 연구팀은 빛의 무수한 꼬임 상태(OAM)를 활용해 무한한 데이터 전송 채널을 확보하는 것이 가능함을 확인했다. 이는 기존 대비 엄청난 데이터를 동시 전송하는 초고용량 광통신이 가능하다는 것을 의미한다. 이 메타표면은 보안영역에서도 활용 가능하다. 연구팀은 대칭성 파괴를 수학적 설계를 바탕으로 구현, 입사하는 빛 '꼬임 정도'와 '진동 방향' 조합을 정보 추출을 위한 독립적인 열쇠로 활용할 수 있다는 것도 실험적으로 규명했다. 나아가 연구팀은 빛의 편광과 꼬임 정도가 결합된 '총 각운동량(TAM)' 상태에 따라 사용자가 원하는 임의의 세기와 편광 분포를 동시에 갖는 '벡터 홀로그램' 영상을 각각의 채널에서 독립적으로 재생하는 데도 성공했다. 신종화 교수는 "벡터 홀로그램은 빛의 세기뿐 아니라 방향 정보까지 포함해 표현하는 고차원 홀로그램 기술"이라며 "이는 단순히 이미지가 바뀌는 다중화 기술을 넘어, 영상의 모든 지점에서 빛의 모든 성질을 개별적으로 요리할 수 있는 고차원 광학 제어 플랫폼 구축 가능성을 제시했다는 점에서 을 구축했다는 점에서 의미가 있다"고 부연 설명했다. 연구는 정준교 박사가 제1 저자로 참여했다. 연구 성과는 국제 학술지 어드밴스드 머티리얼스에 온라인으로 게재됐다. 과학기술정보통신부 '나노소재기술개발사업' 및 '집단연구지원사업', 산업통상자원부 '전자부품산업기술개발사업' 지원을 받았다.