이번 연구를 수행한 신종화(오른쪽) 교수와 정준교 박사.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 빛의 꼬임 상태를 이용해 데이터 전송 효율을 극대화하고 특정 상태에서만 해독되는 고난도 광학 보안 시스템 구현을 가능케 할 신개념 홀로그램 기술이 개발됐다.

KAIST는 신소재공학과 신종화 교수 연구팀이 빛의 ‘총 각운동량(TAM)’을 정보 선택의 핵심 열쇠로 활용, 빛의 상태에 따라 서로 다른 입체 영상을 구현하는 차세대 벡터 홀로그램 메타표면을 개발했다고 4일 밝혔다.

파장보다 작은 나노 구조체의 배열인 메타표면은 투과되는 빛의 특성을 자유롭게 조절할 수 있는 특성을 가지고 있어 차세대 광학 부품으로 각광받고 있다. 특히 빛의 진동 방향인 편광(SAM)과 나선형으로 소용돌이치며 나아가는 궤도 각운동량(OAM)은 현대 광학에서 정보를 담고 제어하는 데 있어 가장 핵심적인 물리량으로, 이를 활용한 다중화 기술 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 하지만 기존 단층 메타표면은 구조적 대칭성으로 인해 편광과 꼬임을 동시에 독립적인 암호 키(Key)로 사용하는 데 물리적 한계가 컸었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 머리카락 굵기보다 훨씬 작은 나노 구조물을 정밀하게 설계해 두 층으로 쌓은 ‘이중층(Bi-layer) 메타표면’을 구현했다. 이 소자는 빛의 편광과 꼬임 정도가 결합된 ‘총 각운동량(TAM)’을 마치 복잡한 암호 열쇠처럼 활용한다. 즉 특정한 방식으로 진동하고 특정한 횟수만큼 꼬인 빛이 들어올 때만 소자가 반응해 숨겨진 정보를 재현하는 방식이다. 이 기술을 적용하면 겉으로는 동일해 보이는 빛이라도, 정해진 ‘빛의 열쇠’가 없으면 정보를 읽을 수 없어 높은 보안성을 확보할 수 있다.

벡터 홀로그램 모식도.[KAIST 제공]

또한 하나의 빛에 실을 수 있는 정보량을 크게 늘릴 수 있어 기존보다 훨씬 많은 데이터를 동시에 전송하는 초고용량 광통신 기술로의 확장도 가능하다.

향후 실감형 홀로그램, 스마트 글래스, 증강현실(AR) 및 가상현실(VR) 기기 등 차세대 디스플레이 뿐만 아니라, 복제가 어려운 보안 라벨과 초고속 광통신 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

신종화 교수는 “이번 연구는 빛이 지닌 두 가지 핵심 물리적 특성인 ‘편광’과 ‘꼬임’을 서로 독립적인 정보 요소로 분리하면서도 동시에 결합해 하나의 ‘정보 키’처럼 활용할 수 있음을 실험적으로 입증했다는 점에서 의미가 크다”면서 “영상의 각 픽셀마다 편광 상태를 정밀하게 제어할 수 있는 특성은 차세대 실감형 홀로그램, 안경형 디스플레이, AR/VR 기기 등 미래형 디스플레이 기술의 핵심적인 플랫폼이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 3월 12일 온라인 게재됐다.