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연구 

세계 최초 푸리에 광부피 정립 및 구현
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 1051
  • 일 자 : 2022-10-13


세계 최초 푸리에 광부피 정립 및 구현
고려대 이승우/방준하/김남 교수팀, Advanced Optical Materials 논문 발표
홀로그래픽 광학 소자의 푸리에 분석을 통한 설계 및 구현 기술 개발


▲ 왼쪽 위 부터김광진 석박통합과정 (제1저자), 임용준 석박통합과정 (공동 제1저자, 고려대학교), 손희주 석박통합과정 (공동 제1저자, 고려대학교), 홍승재 석박통합과정 (공동 제1저자, 고려대학교), 신창원 연구교수 (공동 제1저자, 충북대학교), 백동재 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 김현호 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 김남 교수(교신저자, 충북대학교), 방준하 교수(교신저자, 고려대학교), 이승우 교수(교신저자, 고려대학교)


 

이승우 교수팀(고려대학교 KU-KIST융합대학원/공과대학 융합에너지공학과)은 방준하 교수팀(고려대학교 공과대학 화공생명공학과), 김남 교수팀(충북대학교 전자정보대학 정보통신공학부)과 함께 세계 최초로 홀로그래픽 광학 소자인 부피 격자(volume gratings)를 ‘푸리에 광부피(Optical Fourier Volumes, OFV)’로 재정립하고 이를 분석 및 구현해내는 방법을 개발하였다.

이번 연구 결과는 한국시간 9월 22일 세계적 학술지 Advanced Optical Materials (Impact Factor: 10.050)에 출판되었다.


- 저자정보 : 김광진 석박통합과정 (제1저자, 고려대학교), 임용준 석박통합과정 (공동 제1저자, 고려대학교), 손희주 석박통합과정 (공동 제1저자, 고려대학교), 홍승재 석박통합과정 (공동 제1저자, 고려대학교), 신창원 연구교수 (공동 제1저자, 충북대학교), 백동재 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 김현호 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 김남 (교신저자, 충북대학교), 방준하 (교신저자, 고려대학교), 이승우 (교신저자, 고려대학교) (총 10명)
* 논문명 : Optical Fourier Volumes: A Revisiting of Holographic Photopolymers and Photoaddressable Polymers
* 논문게재지 : Advanced Optical Materials
 (2022년 09월 22일 online published, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202201421)

부피 격자로 구성된 광학 소자는 제한된 공간에서 원하는 경로로 빛의 신호를 제어할 수 있어 이미지를 전달하는 응용 소자로서 많이 사용된다. 특히, 증강현실 및 가상현실(AR/VR) 기술에서 3차원 정보를 이미지화하는 헤드 마운티드 디스플레이(Head-mounted display)나 자동차 대시보드용 헤드업 디스플레이(Head-up display)와 같은 장치에서 홀로그램을 재현하는 핵심적인 부품으로 사용되고 있다.


이승우 교수 연구팀은 이러한 수요에 맞춰 굴절률 변조 형태에 따른 푸리에 광부피의 광학적 특성을 분석하고 광학적 손실을 최소화할 수 있는 이상적인 부피 격자 제작을 위한 이론적 개념을 정립하였다. 본 연구에서는 RCWA (Rigorous Coupled-Wave Analysis) 방법을 통해 3차원 체적 격자에 의한 전자기파동의 거동을 푸리에 광학 관점에서 분석하였다.

연구 결과에 따르면, 일반적인 리소그래피 방법으로 제작된 이진법 형태의 굴절률 변조를 가지는 부피 격자는 정현파 형태의 푸리에 스펙트럼과 낮은 호환성을 가지기 때문에 이로 인한 광학적 손실이 불가피하다. 반면, 정현파 형태의 굴절률 변조를 가지는 부피 격자인 푸리에 광부피의 경우 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 가져 우수한 성능으로 홀로그램 이미지 재생이 가능하다.

본 연구팀은 이러한 분석을 기반으로 대표적인 광고분자인 아크릴 레이트 기반의 광고분자(Acrylate-based Photopolymer)와 포토어드레서블 폴리머(Photoaddressable polymer)를 사용하여 정현파 형태의 굴절률 변조를 가지는 푸리에 광부피를 실험적으로 구현하였다. 제작된 푸리에 광부피는 분석결과와 동일하게 원하는 광경로를 통해서만 전자기파가 거동함을 보여주었으며 이를 통해 푸리에 스펙트럼에 호환되는 최적의 굴절률 변조 형태를 가질 경우 특정 신호만을 나타내는 우수한 광학적 특성이 보이는 것을 확인하였다.

이러한 혁신적인 분석방법은 최적의 푸리에 광부피를 설계하고 다양한 광고분자 재료들을 통해 이를 구현할 수 있음을 보였다. 해당 기술은 광학적 손실이 없는 홀로그래픽 광학 소자를 제작하는 데에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

 



[[그림 1] RCWA 분석 방법을 통해 계산한 3차원 체적 격자에 의한 전자기파동의 거동

리소그래피 방법을 기반으로 한 이진법 형태의 굴절률 변조를 가지는 3차원 체적 격자의 경우 추가적인 광경로의 발생으로 광학적 손실이 나타나는 반면, 정현파 형태의 굴절률 변조를 가지는 푸리에 광부피의 경우 푸리에 스펙트럼과 잘 호환되기 때문에 광학적 손실 없이 원하는 경로로만 전자기파동이 거동함을 RCWA 분석 방법을 통해 계산하였다.




[그림 2] 대표적인 광고분자인 포토폴리머와 포토어드레서블 폴리머를 이용하여 제작한 푸리에 광부피
두 가지 대표적인 광고분자 재료를 이용해 푸리에 광부피를 실제로 구현해내었다. 제작된 푸리에 광부피는 본 연구에서 이론적으로 설계한 광학적 회절특성과 잘 들어맞는 우수한 홀로그램 성능을 보였다.


커뮤니케이션팀 최원석(won7301@korea.ac.kr)