【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김석우 씨, 김주훈 씨, 김경태 씨, 정민수 씨 연구팀이 평면 광학 기술의 한계를 극복할 새로운 설계 방법을 제시했다고 3일 밝혔다
 ▲ 안티-에일리어싱이 적용된 메타표면 기법. 회절 노이즈가 제거되어 선명한 홀로그램 영상과 고효율의 빔 포커싱을 달성. (C) 포스텍 |
이번 연구는 기존 메타표면 기술에서 사용되던 샘플링 이론의 한계를 규명하고, 성능을 크게 향상시킬 수 있는 다차원 샘플링 이론을 제시했다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.
평면 광학 기술은 얇은 평면에 나노/마이크로 수준의 구조체를 패터닝하여 빛을 자유롭게 제어할 수 있는 기술이다. 기존의 광학 기술은 부피가 크고 무거운 렌즈나 거울을 사용하여 빛의 경로를 조정하기 때문에 스마트폰 카메라의 돌출 (‘카툭튀’ 현상)이나 AR/VR 기기의 소형화에 제약이 있었다. 그러나 평면 광학 기술을 활용하면 수백 나노미터 두께로도 빛을 제어할 수 있어 초소형 기능성 광학 디바이스 구현이 가능하다.
평면 광학 기술을 활용한 가장 혁신적인 소자인 메타표면은 수억 개의 나노 구조체 배열을 통해 빛의 위상 분포를 샘플링함으로써 렌즈부터 홀로그램까지 다양한 기능을 수행할 수 있다.
여기서 샘플링이란 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정이다. 예시로 인간의 뇌는 샘플링을 통해 시각정보를 처리한다. 예를 들어 동영상을 시청할 때, 인간의 뇌는 빠르게 여러 장의 장면들을 인식, 즉, 이미지 샘플링을 통해 시각적인 정보를 인식한다.
샘플링은 범용적으로 쓰이는 기술이지만 문제점을 가지고 있다. 만약 너무 느리게 샘플링이 이루어지면 왜곡 현상이 발생할 수 있다. 대표적인 예로 ‘Wagon-wheel 효과’는 영화나 동영상에서 수레바퀴가 실제로는 앞으로 회전하고 있지만, 샘플링 속도 (프레임 속도)가 회전 속도를 충분히 따라가지 못하면 느리게 회전하거나 멈춰 있는 것처럼 보이는 현상이다.
이 에일리어싱(aliasing)이라고 불리우는 신호 왜곡 현상은 메타표면 설계에서도 발생하며, 메타표면의 효율과 정밀도를 저하시키는 심각한 원인이 된다.
기존의 많은 평면광학 연구자들은 ‘나이퀴스트 샘플링 이론(Nyquist Sampling Theorem)’을 통해 에일리어싱의 발생을 계산하고 방지해왔다. 하지만, 이번에 연구팀은 나이퀴스트 이론이 평면광학에는 적합하지 않다는 점을 새롭게 발견했다.
기존 나이퀴스트 이론은 샘플링 주파수에 따라 구현 가능한 주파수 한계를 정의하지만, 메타표면에서 발생하는 빛의 왜곡 현상을 정확히 예측하거나 이를 방지하기 위한 조건을 계산하는데 한계가 있었음이 밝혀졌다. 이러한 한계는 메타표면의 복잡한 구조와 빛의 특수성을 고려해야 하는 설계에서 더욱 두드러지게 나타난다.
이에 대해 연구팀은 메타표면의 2차원 구조 형태와 빛이라는 파동의 특수성을 반영한 새로운 샘플링 이론을 개발했다. 연구팀은 이 이론을 통해 메타표면의 격자 구조와 스펙트럼 형상의 기하학적 관계가 메타표면의 광학 성능에 중요한 영향을 미친다는 사실을 최초로 규명했다.
더 나아가 2차원격자를 회전시키거나 회절 소자를 결합하는 방식을 통해 노이즈를 줄이고 빛의 제어 성능을 극대화하는 ‘안티-에일리어싱(Anti-aliasing)3)’ 기술을 제안했다.
연구팀은 이 기술들을 활용해 가시광선부터 자외선 영역까지의 광범위한 파장에 대해 메타표면에서 발생하는 노이즈를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 자외선 대역에서 작동하는 고 개구수 메타렌즈와 광시야각 메타홀로그램을 성공적으로 구현했다.
이번 연구는 기존 이론의 한계를 극복하여 메타표면 평가 및 설계 방식에 새로운 지침을 제시하였고, 자외선 대역과 고 개구수 영역에 필요한 높은 해상도의 공정 조건을 획기적으로 완화했다는 것에 의미가 있다.
노준석 교수는 “이번 연구는 높은 샘플링 조건을 요구하는 고 개구수 메타렌즈, 광시야각 메타홀로그램을 포함한 다양한 평면광학 기술의 성능 향상뿐만 아니라, 마이크로파(Microwave) 대역에서부터 극자외선(Extreme Ultraviolet, EUV) 대역에 이르는 광범위한 파장 대역에 적용가능한 범용적 설계 지침을 제시함으로써 메타표면 기술의 새로운 가능성을 열었다”라며, “특히 파장이 짧은 자외선 대역에서의 평면광학 기술은 매우 정밀한 공정을 요구하기 때문에 많이 연구되지 않았으나, 이번에 밝혀진 이론을 이용하면 공정 조건을 매우 완화 할 수 있어 자외선 평면광학 분야의 새로운 지평을 열게 되었다.” 라는 말을 전했다.
한편, 이번 연구는 포스코, 삼성전자, 과학기술정보통신부/한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH Professor Noh Jun-seok's team presents a new design method to overcome the limitations of planar optical technology
POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced on the 3rd that a research team consisting of Professor Noh Jun-seok of the Department of Mechanical Engineering, the Department of Chemical Engineering, the Department of Electrical and Electronic Engineering, and the Graduate School of Convergence, and Kim Seok-woo, Kim Joo-hoon, Kim Kyung-tae, and Jeong Min-su from the integrated course of the Department of Mechanical Engineering presented a new design method to overcome the limitations of planar optical technology.
This study identified the limitations of the sampling theory used in existing metasurface technology and presented a multidimensional sampling theory that can significantly improve performance. The results of the study were published in the international academic journal Nature Communications.
Planar optical technology is a technology that can freely control light by patterning nano/micro-level structures on a thin plane. Existing optical technologies have limitations in the protrusion of smartphone cameras ('catuktu' phenomenon) or miniaturization of AR/VR devices because they use large and heavy lenses or mirrors to adjust the path of light. However, by utilizing planar optical technology, light can be controlled even with a thickness of several hundred nanometers, enabling the implementation of ultra-small functional optical devices.
The most innovative element utilizing planar optical technology, the metasurface, can perform various functions from lenses to holograms by sampling the phase distribution of light through an array of hundreds of millions of nanostructures.
Here, sampling is the process of converting an analog signal into a digital signal. For example, the human brain processes visual information through sampling. For example, when watching a video, the human brain quickly recognizes multiple scenes, that is, recognizes visual information through image sampling.
Sampling is a commonly used technology, but it has problems. If sampling is performed too slowly, distortion can occur. A representative example is the ‘wagon-wheel effect’, which is a phenomenon in which a wagon wheel in a movie or video actually rotates forward, but appears to rotate slowly or stop when the sampling speed (frame rate) does not sufficiently keep up with the rotation speed.
This signal distortion phenomenon called aliasing also occurs in the design of metasurfaces, and is a serious cause of reducing the efficiency and precision of the metasurface.
Many existing researchers of planar optics have calculated and prevented the occurrence of aliasing through the ‘Nyquist Sampling Theorem’. However, this time, the research team newly discovered that the Nyquist theory is not suitable for planar optics.
The existing Nyquist theory defines the frequency limit that can be implemented according to the sampling frequency, but it was found that there was a limit to accurately predicting the distortion of light occurring in the metasurface or calculating the conditions to prevent it. This limitation is more evident in the design that must consider the complex structure of the metasurface and the special nature of light.
In response, the research team developed a new sampling theory that reflects the two-dimensional structure of the metasurface and the special nature of light as a wave. Through this theory, the research team was the first to elucidate that the geometric relationship between the lattice structure of the metasurface and the spectral shape has a significant impact on the optical performance of the metasurface.
Furthermore, the team proposed an ‘anti-aliasing’ technology that reduces noise and maximizes light control performance by rotating a two-dimensional grid or combining diffractive elements.
Using these technologies, the research team effectively reduced noise generated from the metasurface for a wide range of wavelengths from visible light to the ultraviolet range, and successfully implemented a high-numerical aperture metalens and a wide-field metahologram that operate in the ultraviolet range.
This study is significant in that it overcomes the limitations of existing theories, presents new guidelines for metasurface evaluation and design, and dramatically eases the high-resolution process conditions required for the ultraviolet range and high numerical aperture range.
Professor Noh Jun-seok said, “This study not only improves the performance of various planar optical technologies, including high-numerical-aperture metalens and wide-field meta-holograms that require high sampling conditions, but also presents universal design guidelines applicable to a wide range of wavelength bands from the microwave band to the extreme ultraviolet (EUV) band, thereby opening up new possibilities for metasurface technology.” He added, “In particular, planar optical technology in the short-wavelength ultraviolet band has not been studied much because it requires a very precise process, but by utilizing the theory discovered this time, the process conditions can be greatly relaxed, opening up new horizons in the field of ultraviolet planar optics.” Meanwhile, this research was conducted with the support of POSCO, Samsung Electronics, the Ministry of Science and ICT, and the National Research Foundation of Korea.
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