할로겐 램프로 홀로그램을 띄운 누설모드 메타표면

메타표면 홀로그램은 지금까지 레이저가 있어야 떴습니다. 토론토대 연구진은 할로겐 램프로 띄웠습니다. Q 200 공명이 300나노미터 대역을 4나노미터 아래로 압축해 결맞음을 소자가 직접 만듭니다. 그러자 레이저 홀로그램의 장단이 뒤바뀌었습니다. 스페클은 스스로 평균화돼 줄고, 가는 획은 흐려졌습니다.

홀로그래픽 디스플레이가 상품이 되지 못하는 이유를 하나만 꼽으라면 광원이다. 간섭으로 상을 세우려면 결맞음이 있어야 하고, 결맞음을 주는 광원은 레이저다.

그런데 레이저에는 세 가지가 따라온다. 스페클이 화면을 얼룩지게 만들고, 눈에 들어가는 빛이라 안전 규격이 붙고, RGB 세 파장을 따로 쓰면 광학계가 그만큼 복잡해진다.

이 논문이 건드린 지점은 그 전제다. 할로겐 램프 하나로 홀로그램을 띄웠다.

구분해 둘 것이 있다. 지금까지의 메타표면 홀로그램은 레이저가 이미 만들어 준 결맞음을 받아 빛의 모양만 바꾸는 장치였다. 논문의 표현대로, 광원의 결맞음은 소자의 기능이 아니라 동작의 전제조건이었다.

토론토대 연구진은 그 전제조건을 소자 안으로 옮겼다. 품질계수 200인 공명이 폭 300나노미터짜리 할로겐 빛을 4나노미터 아래로 압축하고, 결맞음은 그 압축에서 생긴다.

그리고 바로 그 때문에 레이저 홀로그램과 장단이 뒤바뀐다. 레이저의 골칫거리인 스페클은 줄어들고, 레이저가 당연히 주던 공간 결맞음이 모자라 가는 획이 흐려진다.

1. 메타표면 홀로그램은 왜 레이저가 있어야 했나

공명의 선폭이 넓어서 여러 파장이 한꺼번에 들어오면 상이 겹치기 때문이다. 기존 메타표면은 하나하나의 구조물에 빛을 가두는 국소 공명을 쓰는데, 그 품질계수가 10~50 수준이다.

전유전체 메타표면은 금속의 흡수 손실이 없어 회절효율이 높지만, 미 공명의 선폭이 30~50나노미터다. 넓은 빛을 넣으면 색수차가 그만큼 생긴다.

금속 쪽은 더 나쁘다. 표면플라즈몬 구조의 품질계수는 5~10이고, 그래서 플라즈모닉 구조색은 색역이 sRGB의 45% 정도에 머문다. 저항 손실이 공명을 넓히기 때문이다.

도파로에 메타표면을 올린 선례도 있다. 다만 그 장치들도 도파로로 이미 결맞은 레이저를 넣었다. 1.55마이크로미터 다이오드 레이저를 렌즈드 파이버로 넣거나, 가시광 레이저 선을 넣는 방식이다.

그래서 비어 있던 자리가 분명하다. 결맞음을 만들어 내는 소자가 아니라 결맞음을 쓰는 소자만 있었다.

2. 소자가 결맞음을 만든다는 것은 무슨 뜻인가

파장과 각도가 동시에 맞는 조합만 통과시켜, 넓은 빛에서 좁은 빛을 깎아 낸다는 뜻이다. 핵심 구조는 프리즘으로 결합한 다층 금속클래드 누설도파로(MMCLW)다.

적층은 이렇다. 융용실리카 기판 위에 크롬 2나노미터, 은 50나노미터, 그 위에 이산화규소 155나노미터와 산화알루미늄 165나노미터를 세 쌍 번갈아 쌓고, 맨 위에 ZEP520 전자빔 레지스트 320나노미터를 덮는다.

이 구조가 품질계수 200인 누설 유도모드를 받친다. 전자기장이 금속과 겹치는 몫을 줄여 저항 손실을 눌렀기 때문이고, 표면플라즈몬 구조의 5~10과 비교하면 스무 배에서 마흔 배다.

좁은 것은 파장만이 아니다. 공명의 각도 폭이 **0.27°**다. 위상 정합 조건 주변의 아주 좁은 입체각으로만 빛이 들어온다.

파장과 각도, 두 겹으로 걸러낸 결과가 이렇다. 할로겐 광원의 폭 약 300나노미터가 측정 선폭 3.7나노미터 이하의 채널로 압축되고, 시간 결맞음이 두 자릿수 올라 결맞음 길이가 약 115마이크로미터가 된다.

공간 쪽은 기하로 푼다. 콜리메이터 앞 초점면에 0.5밀리미터 조리개를 놓아 광원의 유효 각폭을 소자 수용각에 맞추면, 메타표면 면에서 공간 결맞음 지름이 약 100마이크로미터가 된다. 조리개가 없을 때의 17배다.

3. 파장·각도·편광, 세 가지로 갈라 쓴다

하나의 소자에서 채널을 여러 개 뽑는 방법이 셋이고, 각각 다른 자유도를 쓴다.

파장으로 가른다. 입사각을 43.5°로 고정하면 세 공명이 가시광 안에 들어온다. TE6이 497.3나노미터(청록), TE5가 582.6나노미터(황록), TE4가 680.8나노미터(적)다. 이 셋에 꽃 그림을 나눠 맡겨 꽃잎은 적색, 줄기와 잎은 황록, 가운데는 청록으로 띄웠다. 측정 선폭은 2.6~2.9나노미터, 파장 평균 절대편차는 2.6나노미터다.

기존 다색 메타표면 홀로그램은 RGB 레이저를 따로 넣어 이것을 했다. 같은 전색 재구성을 광대역 열광원 하나로 했다는 것이 이 절의 요지다.

각도로 가른다. 입사각 48°에서는 TE5가 녹색 「U」, TE4가 주황 「O」를 띄우고, 44°로 바꾸면 TE5가 노란 「F」, TE4가 진홍 「T」를 띄운다. 각도 분산 기울기가 −10~−12나노미터/도라서 4° 차이가 40나노미터 넘는 파장 이동을 만들고, 선폭 약 3나노미터에 비해 충분히 멀어 각도 채널 사이 간섭이 저절로 억제된다.

편광으로 가른다. 입사각 45.7°에서 이 구조는 480~700나노미터 범위에서 TE와 TM 누설모드를 함께 받친다. TE로 넣으면 TE5가 황록 「T」, TE4가 적색 「E」를 띄우고, TM으로 바꾸면 TM6이 녹색 「T」, TM5가 주황 「M」을 띄운다. 채널 사이에 눈에 띄는 누설이 없었다.

4. 디스플레이 쪽에서 눈에 걸리는 것은 색역이다

선폭이 4나노미터 아래라서 색이 극단적으로 포화되고, 그 색좌표가 sRGB 삼각형 밖에 떨어진다. 측정한 각 모드의 좌표가 CIE 1931 스펙트럼 궤적 근처에 놓인다.

이 숫자가 의미를 갖는 것은 비교 대상이 있기 때문이다. 같은 논문이 적어 둔 기준값으로 플라즈모닉 구조색은 sRGB의 약 45%, **전형적인 실리콘 메타표면은 약 78%**다. 저항 손실과 넓은 공명이 포화도를 깎아 온 자리다.

조정 방식도 디스플레이 쪽 관심을 끈다. 각도 분산이 −10~−12나노미터/도이므로 입사각을 돌리는 것만으로 스펙트럼 궤적을 따라 파장을 연속으로 옮길 수 있다. 색을 만드는 손잡이가 재료가 아니라 기하다.

비국소라는 말이 여기서 실체를 갖는다. 누설 유도모드가 격자를 따라 **15~35마이크로미터(단위격자 45~102개)**에 걸쳐 퍼지며 감쇠한다. 하나의 구조물이 색을 정하는 것이 아니라 여러 격자가 함께 정한다.

5. 초록과 본문 사이

초록에는 결맞음 향상과 색역 돌파가 적혀 있다. 본문에 들어가면 조건이 넷 붙는다.

첫째, 효율이 초록에 없다. −1차 회절로 나가는 출력 결합 효율이 네 TE 모드에서 **0.6~1.3%**다. 나노홀의 반지름과 식각 깊이를 키우면 이 효율이 오르지만 품질계수를 깎는 대가가 붙는다고 본문이 적는다. 홀로그램이 떴다는 것과 밝은 화면을 만들 수 있다는 것은 다른 이야기다.

둘째, 공간 결맞음이 소자 개구보다 작다. 100마이크로미터인 결맞음 지름이 소자 크기보다 작아 저역통과 필터처럼 작동한다. 그래서 실측 상은 모사보다 경계가 부드럽고 대비가 낮으며, 구조유사도가 0.53~0.66에 머문다. 가장 낮은 진홍 「T」는 같은 노출에서 밝은 노란 「F」와 함께 찍히느라 가는 획이 더 깎였다.

저자들은 이 값을 맥락 속에 놓는다. LED에 75마이크로미터 핀홀과 10나노미터 분광 필터, 카메라 되먹임 보정까지 쓴 선행 연구가 0.65이고, LED에 핀홀 없이 쓴 경우가 0.57이다. 생 할로겐 광원으로 그 범위에 들었다는 것이 이 논문의 주장이고, 절대 화질이 좋다는 주장은 아니다.

셋째, 스페클이 줄어든 것은 뒤집어 보면 결맞음이 모자란 결과다. 모사 영상에는 스페클이 남지만 실험에서는 광대역 열광원이 서로 어긋난 스페클 무늬를 평균해 1/√N로 눌러 준다. 레이저 홀로그램의 약점이 여기서는 이점이 되는데, 그것은 같은 원인에서 나온 두 얼굴이다. 영상에 보이는 주기적 띠무늬는 제작 결함이 아니라 설계 알고리즘의 이산 화소 구조에서 온다.

넷째, 「램프만 있으면 된다」가 아니다. 광원은 색온도 약 3,400K 할로겐이지만, 그 앞에 콜리메이터와 0.5밀리미터 조리개가 서고 빛은 프리즘으로 결합돼 특정 각도로 들어간다. 레이저를 뺀 대신 각도 정렬이 들어왔다. 각도 폭 0.27°짜리 공명을 쓰는 장치라 정렬 허용오차가 그만큼 좁다.

색역에도 조건을 붙여 둔다. 여기서 넘은 것은 소자에서 나오는 빛의 색좌표이고 화면의 색역이 아니다. 화면 색역은 그 빛으로 화소를 만들고 밝기와 흰점을 잡은 뒤에 정해진다. 위에 적은 효율 0.6~1.3%가 바로 그 사이에 놓인 숫자다.

6. 산업까지 남은 거리

이 소자가 지금 디스플레이가 되지는 않는다. 효율이 1% 안쪽이고, 상은 5밀리미터 앞 스크린에 뜨고, 1000×1000 화소 각각이 340나노미터인 정적 메타표면이라 내용을 바꾸려면 다시 만들어야 한다.

그래도 디플이 이 편을 싣는 이유는 옮겨 쓸 수 있는 것이 둘 있기 때문이다.

하나는 설계의 축이다. 광원을 좋게 만들어 소자에 넣는 대신, 평범한 광원을 넣고 소자가 필요한 결맞음만 깎아 쓰는 방식이다. 레이저 광원이 스페클·안전·비용으로 걸리는 자리마다 같은 질문을 던질 수 있다.

다른 하나는 색을 만드는 손잡이다. 구조색 메타표면이 sRGB의 45~78%에 묶여 있던 이유가 공명 선폭이었고, 그 선폭을 비국소 누설모드로 4나노미터 아래까지 좁히면 포화도가 스펙트럼 궤적까지 간다. 반사형·구조색 쪽에 바로 닿는 숫자다.

남는 질문은 분명하다. 효율과 품질계수가 같은 손잡이의 양 끝에 있다. 나노홀을 키우면 밝아지고 공명이 넓어지고, 좁히면 색이 순해지고 어두워진다. 이 교환비 위에서 쓸 만한 자리가 있는지는 이 논문이 답하지 않았다.