한·일 공동 연구로 기존 보다 1500배 빠른 광 조명기술 개발

[이데일리 강민구 기자] 한국과 일본 연구진이 기존 광 변조기보다 약 1500배 빠른 속도로 작동하는 3차원 광 패턴 조명 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 장무석 바이오뇌공학과 교수 연구팀이 북해도대의 시부카와 아츠시 전자과학연구소 교수, 미카미 히데하루 교수, 오카야마대의 스도 유키 의·치·약과학과 교수 연구팀과 함께 3차원 광 패턴 조명 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

장무석 KAIST 바이오뇌공학과 교수와 송국호 박사과정.(사진=KAIST)

광 패턴 조명 기술은 디스플레이나 빔프로젝터에서 찾아볼 수 있다. 디스플레이나 빔 프로젝터 내부에는 원하는 이미지나 모양 등을 화소 단위로 만들어낼 수 있는 광 패턴 조명 장치인 공간 광 변조기를 쓴다.

이 밖에 가상 현실 기술 분야의 핵심 요소 기술인 3차원 디스플레이 기술에도 사용되며, 산업 분야에서는 금속 가공, 연구 분야에서는 뇌 심부 이미징을 위한 레이저 스캐닝 현미경 등에 사용되고 있다.

하지만 공간 광 변조기는 조명 패턴의 전환을 고속으로 수행하는 데 한계가 있었다. 현재 시판되는 공간 광 변조기는 액정형 디스플레이 장치나 디지털 미러 장치가 있지만, 통상 전환 속도는 50마이크로초에서 10밀리초 수준으로 제한된다. 원리적으로 이보다 더 빠르게 만드는 데에는 기술적 어려움이 있었다.

연구팀은 공간 자유도·시간 자유도 사이의 치환 개념을 개발하고, 이를 독자 개발한 초고속 1차원 광 변조기와 산란 매질을 결합해 구현하는 방식으로, 시판되는 공간 광 변조기보다 약 1500배 빠른 30나노초의 전환 속도를 갖는 3차원 조명(디스플레이) 기술을 개발했다.

산란매질을 역이용한 초고속 광 패턴 조명 기술.(자료=KAIST)

연구팀은 빛의 전파를 교란하는 산란 매질의 특성을 역이용해 1차원의 광 패턴을 사용자가 원하는 3차원의 패턴으로 변환하기 위해 복잡 광 파면 조작 기술을 핵심 기술로 활용했다.

특정 각도에서만 볼 수 있는 기존의 2차원 유사 홀로그램과 달리 실제로 3차원 공간상에 광 정보를 재구성해 입체 영상을 만드는 기술로 활용할 수 있게 했다. 앞으로 광유전학 기술에 기반한 뇌 신경 조절 기술과 같은 생체 조절 기술의 고속화·대규모화나 금속 3D 프린터 등의 광 가공 생산 효율 향상 등에 응용할 수 있다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 8일 온라인판에 게재됐다.