‘메타(meta)’란 ‘더 높은’, ‘초월하는’이라는 뜻으로 메타물질(meta-material)은 자연에서 발견되지 않는 특성을 가지도록 인위적으로 설계된 물질을 말한다. 메타물질로 만든 메타표면은 매우 가볍고 얇아 휴대용 AR · VR기기에 접목하여 홀로그램을 구현할 소재로 주목받고 있다. 그러나 담을 수 있는 정보량이 제한적이고, 눈으로 볼 수 있는 가시광 영역에서만 홀로그램을 구현할 수 있다는 한계가 있었다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 석박통합 김주훈 씨 연구팀은 가시광 영역뿐 아니라 자외선 영역에서도 동시에 사용할 수 있는 메타 홀로그램을 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘나노스케일 호라이즌스(Nanoscale Horizons)’에 전면속표지 논문(Inside Front Cover)으로 게재됐다.

대부분의 물체는 자외선 영역의 빛을 흡수하기 때문에 여태껏 가시광 영역에서만 홀로그램을 구현할 수 있었다. 연구팀은 이번 연구에서 메타표면에 얇은 막을 입힐 때 사용되는 기체들의 조성을 조절하여 자외선 투과율을 높였다. 그 결과, 가시광 영역뿐 아니라 자외선 영역에서 메타 홀로그램을 구현했다.

그리고, 연구팀은 하나의 메타표면으로 두 가지 홀로그램을 구현하는 데 성공했다. 빛은 공간상에서 특정 편광1) 방향을 가지며 나아간다. 연구팀은 빛이 공간상에서 나아갈 때 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 편광에 대해 각각 다른 홀로그램을 입력하여 메타표면의 정보량을 두 배로 늘렸다.
 

또, 실제 기기에 적용했을 때 빛의 회전 방향을 쉽게 전환할 수 있도록 휴대폰이나 LCD 디스플레이에 활용되는 ‘액정’을 사용했다. 그 결과, 전기장2)이 가해지지 않는 경우 빛이 시계방향으로 회전하며 A 형태의 홀로그램을 구현하고, 전기장이 가해지면 회전 방향이 전환되어 B 형태의 홀로그램을 보여주었다. 간단하게 전기장을 걸어줌으로써 홀로그램이 바뀌는 기기를 제작하는 데 성공한 것이다.

이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “가시광 영역에 국한되었던 메타 홀로그램의 한계를 깨고, 빛의 회전 방향에 따라 가시광선과 자외선 영역에서의 동시에 가능한 메타 홀로그램을 구현했다는 점에서 큰 의의가 있다”며, “메타표면의 활용범위를 위조 지폐나 신분증, 여권 등에 사용되는 보안 기술으로 활용하는 획기적인 계기가 될 것이다”라고 기대를 전했다.
 

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 미래유망융합기술 파이오니아 사업(나노광학기반 스마트 정보보호기술 연구단)과 POSCO 산학연융합연구소 사업의 지원으로 수행됐다.