▲ (왼쪽부터) 임용준 석박통합과정 (제1저자), 홍승재 석박통합과정 (공동 저자), 조용덕 박사후연구원 (공동 저자),

 방준하 교수(교신 저자) 이승우 교수(교신 저자)

고려대학교(총장 김동원)가 세계 최대 효율을 가지는 AR/VR 디스플레이용 회절 광학 소자를 구현했다.

이번 연구 결과는 한국시간 8월 13일 세계적 학술지 Advanced Materials (Impact Factor: 27.4)에 출판됐다.
- 논문명 : Fourier Surfaces Reaching Full-Color Diffraction Limits
- 논문게재지 : Advanced Materials  (2024년 08월 13일 online published, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404540)

융합에너지공학과 이승우 교수 연구팀과 화공생명공학과 방준하 교수 연구팀은 AR/VR 디스플레이에 쓰이는 푸리에 광표면(Optical Fourier Surface, 이하 OFS)을 활용하여, 높은 빛의 회절 효율을 확보했다.

증강현실과 가상현실(AR/VR) 디스플레이는 건축, 교육, 게임, 국방 분야뿐 아니라 일상생활에서도 다양하게 사용이 가능하다. 연구팀이 사용한 푸리에 광표면은 해당 기술의 핵심 소자이다. 해당 소자는 완벽한 정현파 형태의 표면을 갖기에 광학적 손실을 최소화할 수 있다.

연구팀은 가시광 영역에서 투명하면서도 굴절률이 높은 물질에도 OFS가 빠르게 형성되는 기술을 개발했다. 이를 통해 기존 OFS 소자의 빛의 흡수가 높은 점, 회절 효율이 낮은 한계점을 세계 최초로 해결했다.

연구팀이 개발한 기술로 OFS 소자 사용 시, 광학적 손실이 최소화되며, 동시에 최대 회절 효율로 가시광 전체 영역에서 작동이 가능하다. 또한, 푸리에 광표면 제작에 프린팅 가능한 광학 시스템과 나노임프린팅 기술을 도입하여 기존 제작 방법으로 도달할 수 없었던 공정 수율을 달성했다.

연구팀은 해당 기술을 기반으로 디스플레이의 효율을 높이기 위한 마이크로렌즈 어레이(Microlens Array, MLA) 및 AR/VR 기술의 핵심 소자인 인/아웃 커플러(in/out coupler) 광학 구조를 웨이퍼 크기 규모로 형성하여 이를 입증했다. 더불어 평면이 아닌 곡면 기판에 푸리에 광표면을 형성하는 것에 성공하여 기술의 응용 분야를 확장했다.

연구팀이 개발한 이 방법은 TV를 포함한 전통적인 디스플레이의 광 추출 효율을 높이고 최첨단 광학 장비를 위한 효율적인 광학 소자로 사용될 수 있기에, 디스플레이 산업의 생산성을 높이는 데 크게 기여할 전망이다.

[그림 1] 

[그림 1] 가시광 전대역에서 이론상 최대 회절 효율을 보이는 푸리에 광표면.

 광학적 손실을 최소화할 수 있는 완벽한 정현파 형태의 회절 광학 소자인 푸리에 광표면은 가시광 대역에서의 높은 흡수와 낮은 광학 효율로 인해 광학 장치에 직접적인 활용이 불가능하였다. 본 연구팀은 이러한 한계점을 극복하는 가시광 전체 영역에서 이론상 최대 회절 효율을 가져 광학 특성이 개선된 광학 소자를 최초로 구현하였다.

[그림 2] 

[그림 2] 혁신적인 광학 소자 응용을 위해 대량 생산된 푸리에 광표면

본 연구팀은 AR/VR 디스플레이를 포함한 혁신적인 광학 장치에 직접 적용할 수 있는 광학 구조를 대면적으로 빠르게 형성함으로써 기존 제작방법으로 도달할 수 없었던 공정 수율로 경제적인 이점을 가질 수 있음을 입증하였다. 더불어 평면을 포함한 곡면에도 광학 구조를 형성할 수 있음을 보여 그 응용 분야를 확장하였다.