Special Issue  ______  상전이 물질 기반 차세대 홀로그램 기술

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모바일로 3차원 홀로그램 보는 시대가 가까워지다

차세대 홀로그램 기술로 이어가는 ETRI의 명성

최근 ETRI 연구진이 개발에 성공한 차세대 홀로그램 기술이 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)에서 발행하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재되어, 세계적인 ICT 연구기관으로서 ETRI의 명성을 이어가고 있다. ETRI에서 개발한 본 기술은 1 마이크로미터 크기 단위 픽셀을 지닌 3cm 크기의 홀로그램 영상을 상전이 물질을 이용해 구현한 것으로, 집적 공정이 가능한 상전이 물질을 이용하여 초고해상도 픽셀을 구현할 수 있는 차세대 홀로그램 패널이다.
현재 홀로그램 영상을 표시하는 공간광변조기로 주로 사용되는 것은 엘코스(LCoS)이다. 하지만 액정을 이용한 엘코스는 픽셀피치를 줄이는 데 한계가 있어서, 홀로그램 영상을 볼 수 있는 시야각이 좁다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해소하기 위해 다양한 재료로 픽셀피치 1μm 급 공간광변조기 제작을 목표로 한 시도가 이루어지고 있다.
하지만 일반적인 Ge2Sb2Te5(GST) 박막의 상전이에 따른 반사율의 변화로는 홀로그램 이미지를 육안으로 관측할 수 있는 수준의 광 회절 현상을 만들어 내는 것이 매우 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ETRI는 인듐 주석 산화물(ITO)과 GST가 적층된 복층 박막 구조를 설계하였고, 복층 박막 내에 삽입된 GST층의 상전이를 이용하여 시중에 판매되는 LED 광원으로도 선명한 홀로그램 이미지를 관측하는 데 성공했다.

GST 박막으로 차세대 홀로그램 디스플레이 개발

ETRI가 개발한 차세대 홀로그램 기술의 핵심은 상전이 물질로, 최근 재조명받고 있는 칼코게나이드계 화합물인 Ge2Sb2Te5(GST)이다. GST는 이전부터 DVD와 같은 광학 저장장치 및 상전이 메모리소자(PRAM)등에 응용된 바 있다. 이 물질은 온도에 따라 비정질(amorphous-원자나 분자 배열에 규칙성이 없음)과 결정질(crystalline-광물 구성원자들이 대부분 규칙적으로 배열된 상태) 상태 간의 상전이가 일어나는데, 그 상태에 따라 전기 전도도 및 광학적 성질이 크게 변화하는 특성을 보인다. DVD는 이 물질의 상전이에 따른 반사율의 변화를 측정하여 광학 저장장치로 응용한 예라 할 수 있다.
GST는 이전부터 반도체 메모리 소자 등에 적용된 바 있을 정도로, 수십 또는 수백 나노미터 크기의 집적 공정이 가능하다. 따라서 홀로그램 디스플레이를 위한 공간 광변조 장치를 개발하는 데 가장 큰 화두이자 걸림돌 중 하나인 초소형 픽셀 구현이 가능하다는 잠재력을 내포하고 있다. 그러나 제안된 GST 박막 구조를 이용한 공간 광변조 장치가 구현되려면, 기존 디스플레이 패널들과 같이 전기 신호의 인가를 통해 GST의 광변조가 가능한가를 검증할 필요가 있었다.
ETRI 연구진은 이를 검증하기 위해 GST 박막을 기반으로 하는 단위 픽셀을 제작하였다. 1μm × 4μm 수준으로 광변조 영역(active region)이 설계된 단위 픽셀 구조에 전기 신호를 인가하였을 때, GST 기반 복층 구조의 광학적 특성이 변화하는 것을 성공적으로 관측하였다.
ETRI 연구진은 복층 박막이 지니는 공진 특성을 통해 기술을 설계하였고, GST층의 두께를 유지한 채 ITO층의 두께를 조절하여 공진 파장을 변화시키는 것을 증명했다. 이는 홀로그램 패널이 특정 색상의 광원에 대해서만 회절 현상을 일으킴으로써, 별도의 컬러 필터 공정 없이 하나의 패널을 통해 컬러 홀로그램 이미지를 형성할 수 있는 것을 뜻한다.

차세대 광변조 장치 개발을 위한 지속적인 연구

ETRI에서는 상전이 물질을 기반으로 하는 능동 픽셀들의 배열 구조를 설계 및 구동하여, 본격적으로 초고해상도 공간 광변조 장치를 개발하는 것을 목표로 연구에 매진하고 있다. 이번 기술 개발에 성공한 상전이 물질은 기존의 액정 기반의 패널들과는 달리, 유연소재 등에도 쉽게 공정이 가능하다. ETRI는 이를 이용하여 플렉시블 홀로그램 디스플레이 패널 등에도 본 기술 적용이 가능할 것으로 전망하고 있다.
한편, 본 연구는 미래창조과학부 정부출연금사업인 ‘기가코리아 사업단’의 지원으로 개발되었다. 이번 기술성과 논문의 제1저자는 ETRI ICT소재부품연구소의 전 연구원인 이승열 박사(현 경북대학교 조교수)이며, ICT소재부품연구소의 김용해 박사, 황치선 박사를 비롯한 많은 연구원들의 노력이 담긴 값진 성과이다. ETRI 연구진이 개발에 성공한 차세대 홀로그램 기술은 향후 홀로그램 동영상 재생이 가능한 모바일 3차원 디스플레이 패널, 모바일 홀로그램 기기, 가상현실/증강현실 기술 등에 적용이 가능할 것으로 보인다.