서울대 공대 전기정보공학부 광공학 및 양자전자연구실 연구팀, 

홀로그래픽 디스플레이에 나노광학 기술 접목

- 편광 멀티플렉싱 메타표면을 적용하여 3차원 디스플레이 이미지의 성능 향상

▲ (좌측부터) 서울대 전기정보공학부 광공학 및 양자전자연구실 남승우 연구원, 김영진 연구원

서울대 공대(학장 홍유석)는 전기정보공학부 광공학 및 양자전자연구실 연구팀이 홀로그래픽 디스플레이 시스템에 차세대 나노광학소자인 메타표면을 도입하여 3차원 이미지의 성능을 대폭 향상시키는 방안을 제시하였다고 18일(월) 밝혔다.

빛의 주요 성질 중 하나인 편광의 두 직교성분이 서로 간섭하지 않는 원리에 착안하여, 홀로그래픽 디스플레이 이미지 품질 저하의 주된 원인이었던 스페클 잡음을 완화하고 이미지 품질을 향상시킨 것이다.

홀로그래픽 디스플레이는 가간섭성 광원인 레이저와 수치해석된 디지털 홀로그램을 재생하는 공간광변조기를 통해, 빛의 회절과 간섭 현상을 활용하여 3차원 물체를 재현한다. 최근, 발전된 홀로그램 최적화 알고리즘을 통해 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 이미지 품질이 눈에 띄게 향상되었지만 공간광변조기에서 제공되는 위상조절의 제한된 자유도로 인해 점차 그 성능 향상이 한계점에 다다르고 있다. 광학 시스템으로부터 제공되는 빛 조절 자유도의 물리적 한계에 봉착한 것이다.

이에 연구팀은 차세대 나노광학소자로 각광받고 있는 메타표면을 홀로그래픽 디스플레이 시스템에 도입하여, 광학시스템의 물리적 한계를 극복하고 기존의 홀로그램 최적화 알고리즘을 적용해 성능 향상을 극대화하고자 하였다. 메타표면이란, 나노구조체들이 빛의 파장보다 짧은 수백나노미터 주기를 가지고 2차원적으로 배열되어 픽셀별로 빛의 성질을 자유자재로 조절할 수 있는 광학소자이다. 메타표면의 대표적인 기능성 중 하나로는 편광 멀티플렉싱이 있는데, 이를 통해 빛의 두 직교편광 별로 독립적인 위상조절이 가능하다.

이를 홀로그래픽 디스플레이 시스템에 도입하면 공간광변조기로부터 재생된 홀로그램이 메타표면을 통과 시 두 개의 각기 다른 홀로그램으로 분기될 수 있는 것이다. 빛의 두 직교편광은 서로 간섭하지 않기 때문에, 두 홀로그램 이미지가 합쳐질 때 간섭에 의한 스페클 잡음 없이 합쳐질 수 있어 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 성능이 대폭 향상되는 원리이다.

연구팀은 “3차원 홀로그래픽 디스플레이에 나노광학소자를 도입하여 고도의 성능 향상을 이끌어낼 수 있음을 보인 연구”라고 설명했다. 본 연구팀이 속한 광공학 및 양자전자연구실은 2022년 11월 작고한 故 이병호 교수의 뒤를 이어 현재는 정윤찬 교수가 지도하고 있으며, 관련 연구를 활발히 이어가고 있다.

한편, 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원(IITP)의 디지털콘텐츠원천기술개발사업의 지원을 받은 이번 연구 결과는 ACM Transactions on Graphics 학술지에 2023년 12월 5일에 게재되었고, 12월 12일부터 15일까지 호주 시드니에서 열린 SIGGRAPH ASIA 2023에서 발표하였다.

▲ 제안된 방식을 활용한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 시스템. 리소그래피 기술을 활용한 나노광학소자 메타표면 공정 제작 결과. 

기존 시스템과 메타표면을 도입한 제안된 시스템의 3차원 디스플레이 이미지 실험결과 비교 (서울대 공대 제공)

[해당 논문]

S. -W. Nam†, Y. Kim†, D. Kim, and Y. Jeong, “Depolarized Holography with Polarization-multiplexing Metasurface,” ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH Asia 2023), vol. 42, no. 6, article 202, 2023.

[문의사항]

서울대 전기정보공학부 광공학 및 양자전자연구실 남승우 연구원 / 02-880-9570 / 711asd@snu.ac.kr

서울대 전기정보공학부 정윤찬 교수 / 02-880-1623 / yoonchan@snu.ac.kr