이승우 교수팀, AR Display의 핵심 광학 소자 개발
Advanced Functional Materials 논문 발표
세계에서 가장 빠른 시간에 가장 높은 집적도로 ‘다방향성 회절격자’ 제작

KU-KIST융합대학원/공과대학 융합에너지공학과 이승우 교수팀은 AR 디스플레이의 핵심 광학 소자인 ‘다방향성 회절격자’를 세계에서 가장 빠른 시간에, 가장 높은 집적도로 제작할 수 있는 방법을 개발했다.

이번 연구 결과는 한국시간 4월 29일 오후 6시 세계적 학술지 Advanced Functional Materials(Impact Factor: 16.836)에 출판됐다.
- 저자정보 : 임용준 석박통합과정 (제1저자, 고려대학교), 강병수 연구교수 (공동저자, 고려대학교), 이승우 (교신저자, 고려대학교) (총 3명)
- 논문명 : Photo-Transformable Gratings for Augmented Reality
- 논문게재지 : Advanced Functional Materials
 (2021년 04월 29일 online published, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202100839)

회절격자는 3차원 홀로그램 재생에 널리 이용돼왔다. 1690년대 호이겐스(C. Huygens)에 의해 처음 개념이 제시되고, 1900년대 정립된 푸리에 광학(Fourier Optics)에 의해 정량적 이해가 가능했던 회절 현상은 빛의 ‘세기’ 뿐만 아니라 ‘위상’ 정보도 기록 가능하기 때문에 3차원 입체 이미지 기록 및 재생에 중요하게 이용되어 왔다.

1890년대 처음 기록된 회절격자 이후 1940년대 가보르(D. Gabor)에 의해 홀로그램 재생이 일반화됐고, 최근 Augmented Reality(AR), Virtual Reality(VR) 기술의 중요성 대두와 함께 다시 한번 주목받고 있다. 특히 마이크로소프트의 홀로렌즈와 같은 상용화된 AR Display에 핵심 광학 소자 역할을 하고 있다. AR Display의 이용자가 입체 영상을 넓은 시야각으로 느끼기 위해서는 회절격자가 다방향성을 갖도록 픽셀화 되어 고밀도로 집적되어야 한다. 이를 위해 대표적 반도체 공정이라고 할 수 있는 *광학(EUV) 리소그래피가 널리 이용되어 왔지만 제작 시간이 너무 오래 걸리고 수율도 낮으며 집적도가 100%에 다다르지 못했다. 이는 홀로렌즈와 같은 AR Display 생산비용의 지나친 증가 및 대중적이지 못한 높은 판매 단가로 이어졌다.
* 광학(EUV) 리소그래피 : 최근 일본 반도체 수출 규제로 이슈화 되었던 반도체 제작 공정을 의미한다. 포토레지스트를 코팅하고 여기에 패턴화된 빛을 조사하면, 빛을 받은 부분 혹은 받지 않은 부분만 선택적으로 식각되고, 이를 마스크로 이용하여 반도체 물질을 선택적으로 식각할 수 있다.

이승우 교수팀은 형태변환 가능한 새로운 회절격자를 개발하여 기존 반도체 공정보다 최대 108배 빠르면서 100% 집적도가 가능한 방법을 새롭게 제시했다. 특히, 리소그래피의 핵심 공정인 화학 식각 공정이 전혀 필요 없이 홀로그램 프린팅만으로 회절격자를 자유자재로 형태변환 시킬 수 있었고, 이를 통해 다방향성 회절격자 픽셀들을 100% 밀도로 집적시키는데 성공했다. 기존 광학 리소그래피로는 수십 시간이 걸렸던 공정 시간을 20~30분 내로 단축시켰다. 더불어 방향에 따라 다양한 홀로그램을 재생해내는데 성공하였다(카멜레온 홀로그램)

해당 기술은 홀로렌즈와 같은 AR Display의 생산성을 크게 높여 광학 AR 기술의 대중화를 선도할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 AR Display의 부피도 크게 낮출 수 있어 사용자 편의성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이승우 교수팀은 해당 기술을 바탕으로 웨어러블 광학 AR 소자의 집적 및 소형화 연구도 진행할 계획이다.

[그 림 설 명 ]

[그림 1] 홀로그램 프린팅으로 구현된, 100% 집적도를 갖는 다방향성 회절격자 구조 및 이로부터 재생된 다방향성 3차원 홀로그램 이미지. 홀로그램 프린팅 및 회절격자의 형태변환을 통해, 다방향성 회절픽셀들을 100% 밀도로 한시간 내에 집적시키는데 성공하였고, 이로부터 다방향성 3차원 홀로그램 이미지들을 재생시키는데 성공했다.

[그림 2] 방향성에 따라 바뀌는 카멜레온 홀로그램 이미지(고려대학교 호랑이 로고). 집적된 다방향성 회절격자로부터 방향에 따라 달라지는 3차원 홀로그램 이미지를 재생해낸 예시(방향에 따라 호랑이가 혹은 호랑이를 제외한 배경 홀로그램이 재생된다).
 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)