머리카락의 100분의 1 수준으로 얇은 메타표면에 최대 36개의 선명한 이미지를 담아낸 혁신기술이 개발됐다. 메타표면은 2차원 나노 구조체를 의미한다. 

포스텍은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수팀이 여러 이미지들을 하나의 메타표면으로 구현하는 기술을 개발하고 연구 결과를 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 발표했다고 22일 밝혔다.

스마트폰, TV, 신용카드 등 일상에 적용된 빛을 다루는 기술은 모두 홀로그램을 기반으로 한다. 기존 홀로그램 기반 기술은 한 화면에 여러 이미지를 담기 어렵고 화질이 떨어지는 문제가 있다. 

연구팀은 기존 홀로그램 기술의 한계를 극복하기 위해 빛의 특성을 자유자재로 바꿀 수 있는 메타표면을 이용했다. 단단하면서도 빛이 잘 통과하는 ‘실리콘 질화물’을 이용해 원자만큼 작은 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 크기의 ‘메타원자’라는 기둥을 만들었다. 

실험 결과 메타표면 구조를 가진 메타원자는 빛을 정밀하게 제어했다. 빛의 색(파장)과 회전 방향(스핀)에 따라 전혀 다른 이미지를 나타냈다. 가령 빨간색 빛을 왼쪽으로 회전하면 사과 이미지, 오른쪽으로 회전시키면 자동차 이미지가 나타난다. 

연구팀은 개발한 기술을 이용해 하나의 메타표면으로 가시광선 영역에서는 20nm 간격으로 36개의 이미지, 가시광선부터 근적외선 영역에서는 8개의 이미지를 표현했다. 

연구팀의 기술은 설계와 제작이 단순하면서도 이미지 품질을 높일 수 있는 방법이다. 이미지 간 간섭과 배경 잡음 등이 발생하는 문제는 ‘잡음 억제 알고리즘’으로 해결해 간섭이 일어나지 않으면서 화질이 또렷해지도록 만들었다.  

노 교수는 “스핀과 파장 정보를 다중화한 뒤 낮은 노이즈와 높은 이미지 품질을 구현한 첫 사례”라며 “이 기술은 대량 생산과 상용화 가능성이 높아 초고용량 광 데이터 저장, 암호화 시스템, 다중 이미지 디스플레이 등 다양한 광학 응용에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 

<참고 자료>
doi.org/10.1002/advs.202504634

(왼쪽부터) 노준석 포스텍 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수, 박채리 기계공학과 통합과정생, 전영선 통합과정생. 포스텍 제공.