▲ 연구진이 구현한 홀로그래피 시스템

국내 연구진이 편광필터가 없는 3D디지털 홀로그램 영상 구현 요소 기술을 개발해, 일상생활 속에서 스마트폰으로도 손쉽게 3D 홀로그램 영상을 보게 될 날이 가까워졌다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 박민철, 황도경 박사 연구팀이 연세대학교(연세대, 총장 서승환) 물리학과 임성일 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 추가적인 편광 필터 없이도 근적외선에서 빛의 편광을 감지할 수 있는 광다이오드 소자 개발에 성공했다고 24일 밝혔다.

지금까지 3D 홀로그램은 3차원 이미지를 저장하여 홀로그램 영상을 만들 수 있는 편광필터 (여러 방향으로 반사하는 보통 빛을 한 방향으로만 반사하는 빛으로 만들어 보내는 필터)가 포함된 대형 전문 카메라를 사용해야만 촬영할 수 있었다.

하지만 연구진들은 2차원 반도체 물질인 레늄 디셀레나이드(ReSe2)와 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)을 사용, 이를 활용하여 3D 디지털 홀로그램을 위한 소형화된 홀로그래픽 이미지 센서를 구현했다고 전했다.

빛을 받아 전류 신호로 바꾸어주는 장치인 광다이오드는 디지털카메라, 스마트폰 카메라의 이미지 센서의 픽셀을 구성하는 필수 부품이다.

일반 카메라의 이미지 센서에 빛의 편광을 감지할 수 있는 기능을 추가하면 다양한 정보를 담을 수 있어 3차원 이미지를 저장하는 홀로그래피(Holography)(물체의 3차원적 영상 정보를 사진 필름 등의 감광 매체에 기록했다가 3차원 영상을 온전히 재생해내는 영상 기록 및 재생법)기술로 활용할 수 있다.

하지만, 기존에 사용되던 편광 감지 카메라는 1㎛ 미만의 초소형 광다이오드 이미지 센서에 별도의 수백㎛ 크기의 편광 필터를 추가하는 방식이어서 집적화, 소형화가 불가능해 휴대용 전자기기에 사용할 수 없었다.

연구진은 근적외선(980nm) 영역에서 빛의 선형 편광 각도에 따른 광 흡수 차이를 보이는 n형 반도체인 레늄 디셀레나이드(ReSe2)와 편광에 따른 반응성 차이는 없지만 성능이 뛰어난 p형 반도체인 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)을 적층하여 광다이오드 소자를 개발했다.

개발한 소자는 자외선부터 근적외선까지 다양한 파장 영역에서 빛을 감지하는 특성이 우수하며, 특히 근적외선 영역의 빛의 편광 특성을 선택적으로 감지할 수 있다. 연구진은 개발한 소자를 통해 편광 특성을 기록할 수 있는 디지털 홀로그램 이미지 센서를 구현, 홀로그램 영상 획득에 성공했다.

KIST 황도경 박사는 “최종적으로 홀로그래피 시스템을 소형화하기 위해서는 개별 소자들을 소형화하고 집적화하는 연구가 진행되어야 한다. 이번 연구성과는 향후 홀로그래픽 카메라 센서 모듈 소형화 개발에 기초가 되는 연구”라고 말했다.

또, 박민철 박사는 “개발된 센서는 기존 가시광 영역대를 벗어나 근적외선 영역대를 감지할 수 있으므로 3차원 야간투시, 자율주행, 바이오, 문화재분석 및 복원을 위한 근적외선 정보 획득 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받은 KIST 주요사업과 문화체육관광부(장관 황희)의 지원을 받은 한국콘텐츠진흥원 문화체육관광기술진흥센터의 문화기술연구개발 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF : 15.881) 최신 호에 게재됐다.