포스텍, 저전압으로 작동하는 스마트 메타표면 개발

- 홀로그래픽 보안 라벨, 위조 방지, 증강현실 기기 등 다양한 분야 혁신 기대

연구팀이 개발한 메타표면 기술의 작동 원리. (자료제공: 포스텍)

POSTECH(총장 김성근)은 기계/화공/전자/융합 노준석 교수 연구팀이 머리카락보다 수천 배 얇은 메타표면을 이용해 손전지 하나 정도의 아주 작은 전기만으로 정보를 완벽하게 숨기고 꺼낼 수 있는 혁신적인 기술을 개발했다고 6월 18일 밝혔다. 

메타표면(metasurfaces)은 자연에 존재하지 않는 특별한 성질을 가진 인공 소재다. 나노미터(10억분의 1미터) 수준의 극미세 구조를 정밀하게 배열해 만들어지며, 빛의 방향과 세기, 위상(파동의 단계)을 마음대로 조절할 수 있다. 쉽게 말하자면 '빛을 다루는 마법의 거울'인 셈이다. 하지만 이 메타표면은 한 번 만들면 기능을 바꿀 수 없고, 저장할 수 있는 정보량도 제한적이라는 한계가 있었다.

연구팀은 두 가지 핵심 아이디어를 도입했다. 첫째, ‘손대칭 구조’를 설계한 것이다. 이는 왼손과 오른손처럼 거울상 관계에 있는 구조로, 빛의 편광(진동 방향)에 따라 다른 반응을 보인다. 선글라스가 특정 방향의 빛만 통과시키는 것과 비슷한 원리다. 

그리고, '전도성 고분자'를 유전체층으로 사용했다. 이 물질은 전기 신호에 민감하게 반응하면서 매우 적은 전력으로 작동한다. 금속-유전체-금속의 3층 구조로 만들어져 전기적 신호와 빛의 편광 모두에 동시에 반응할 수 있다.

연구팀은 개발한 메타표면으로 실제 암호화 실험도 진행했다. 메타표면 하나에 두 개의 서로 다른 홀로그램 이미지를 저장하고, 빛의 편광 방향과 전기 신호를 조합해 원하는 이미지만 선택적으로 불러내는 데 성공했다. 

이는 마치 하나의 CD에 두 개의 다른 영화를 저장하고, 재생 방식에 따라 다른 영화를 볼 수 있는 것과 같다. 하지만 여기서는 빛의 물리적 성질을 이용하기 때문에 기존 방법보다 훨씬 안전하고 위조하기 어렵다.

이 기술의 가장 큰 장점은 놀라운 에너지 효율성이다. 기존 유사 기술들이 수십 볼트의 전압을 필요로 했던 반면, 이번에 개발된 기술은 단 0.5V로 작동한다. 이는 일반 손전지나 휴대폰 배터리로도 충분히 구동할 수 있는 수준이다.

연구를 이끈 노준석 교수는 “이 기술은 위조 불가능한 홀로그래픽 보안 라벨, 신분증이나 화폐의 위조 방지 기술부터 차세대 3D 디스플레이, 증강현실 기기, 그리고 더 많은 정보를 동시에 전송할 수 있는 다중 채널 광통신 시스템까지 다양한 분야에 혁신을 가져올 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 POSCO(포스코) 산학연융합연구소, 삼성전자, 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료과학과 응용 물리 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 6월 3일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]