복소변조 공간 광 변조 기술 동향

공간 광 변조기(SLM)는 3차원 공간상에서 광 이미지의 형성뿐만 아니라 넓은 의미에서 빛의 공간 분포를 제어하기 위해 사용되는 능동형 광학 소자이다[2-4]. 빛은 전자기 파동으로서 진폭과 위상을 가지는 전기장의 정현파(Sinusoidal) 형태로 공간을 진행한다. 빛이 공간적으로 일정한 배열을 갖는 SLM의 한 픽셀에 투과하거나 반사할 때 입사 광파의 위상 또는 진폭을 변화시키는 것을 광 변조라고 하며, 이러한 광 변조 픽셀을 2차원 형태로 배열한 것이 픽셀화된 구조의 공간 광 변조기이다[1].

빛의 세기(진폭) 또는 위상만을 변조시키는 (Amplitude-Only) SLM은 성능 한계가 있다. 광파의 진폭만을 변조하는 SLM은 0차(DC) 및 공액(Conjugate) 잡음이 발생하므로 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio)가 낮게 되어 화질과 대역폭이 낮아지는 단점이 있다[1-4].

한편 위상만을 변조하는(Phase-Only) SLM의 경우 진폭변조 SLM에 비하여 상대적으로 안정적인 변조 성능과 높은 회절 효율을 갖는다. 이상적으로는 위상만을 변조하는 SLM은 0차와 공액 잡음이 없어야 하지만, 픽셀 fill-factor의 공정상의 현실적 한계로 인해 회절되지 않는 빛에 의한 0차 잡음이 발생한다. 또한 위상변조용 홀로그램의 CGH 생성 과정은 높은 복잡도를 가지는 반복적 알고리즘 기법(Iterative Method)에도 불구하고 홀로그램 생성의 성능 한계로 인한 스페클 잡음이 발생하여 화질이 열화되는 단점이 있다.

또한, 진폭 또는 위상만을 변조하는 SLM을 적용한 홀로그래픽 디스플레이 시스템에서는 SLM의 제한된 변조 성능으로 인해 발생한 잡음과 왜곡을 저감하기 위한 4f 필터링 광학계 등이 필요하므로 전체 디스플레이 광학 시스템의 부피가 커지는 문제가 따르므로, 특히 착용형 AR glasses나 차량용 HUD에서와 같이 광학계 구성요소가 차지하는 공간적 크기가 제한되는 경우 중요한 고려사항이 된다.

가. 해외 기술 동향

현재 상용화된 SLM은 액정 마이크로 디스플레이에 기반한 1920×1080 Full-HD 해상도, 8μm급 픽셀피치의 사양을 넘어 3840×2160의 4K UHD급 초고해상도와 3μm급 픽셀피치 정도의 사양을 갖춘 반사형 LCoS 타입의 위상변조 SLM이 다양한 광학 응용, 레이저 재료처리, 홀로그래피 분야 등에 활용되고 있다[2].

글로벌 마켓에서 시장점유율이 가장 높은 SLM 제조사로는 일본 Hamamatsu Photonics, 독일 HoloEye Photonics, 미국 Meadowlark Optics, 일본 Santec Corporation 등이 대표적이다[7]. 그 외 미국 Thorlabs, 독일 Jenoptik, 영국 Forth Dimension Displays, 대만 Jasper Display Corp, 중국 UPOLabs, 중국 CAS Microstar, 중국 Daheng Optics 등에서 상용제품을 제조, 판매 중이다.

나. 국내 기술 동향

국내 유일의 4K LCoS 패널 제조와 생산 기업인 (주)메이는 UHD LCoS 패널 및 FPGA 구동보드를 개발하여 상용화하였다. 아날로그 구동 기반의 backplane, FSC(Field Sequential Color) 방식의 컬러 재현 방식이 주요 특징이다. (주)메이의 LCoS는 제품마다 디스플레이용과 SLM용 패널로 분화되어 용도별로 총 8개 제품이 있으며, 대표적인 4K 패널 모델인 IRIS-U62의 주요 성능은 표 1과 같다[8,9].

한국전자통신연구원(ETRI)은 1μm급 픽셀 피치를 가지는 72K×3.2K 해상도의 반사형 위상변조 SLM 패널 및 구동 모듈을 개발하였다[10,11]. 반도체 공정 기술과 디스플레이 공정을 결합하여 유리 기판상에 구현한 SLMoG(SLM on Glass)와 6K 구동칩 및 72K 구동 시스템은 1μm 픽셀 피치를 구현하기 위하여 0.5μm의 매우 짧은 width를 가지는 VST(Vertically Stacked TFT) 구조를 적용하였다. Holoeye GAEA-2와 같은 상용 LCoS SLM과 비교하여 공간대역폭(SBP)이 23배 향상되었고, 30도의 시야각과 3.1인치 동작영역(Active Area)으로 대면적 홀로그래피 이미지 재현이 가능함을 확인하였다(그림 1)[11].

그림 1

ETRI 초고해상도 SLM(SLMoG) 및 홀로그램 재현 영상

출처 Reproduced with permission from [11].

2개 SLM(Double-SLM)의 광 결합 방식을 통한 복소변조 SLM 구현 방법은 높은 변조 정확성과 진폭 및 위상변조에 대한 독립적인 제어가 비교적 유연하다. 그러나 2개 SLM의 크기가 같아야 하고, 광 결합 시 매우 높은 정밀도의 정렬(Alignment) 작업이 필요하므로 시스템 구성이 대체로 복잡하고 부피가 커지는 단점이 있다[12]. 2개 SLM의 광 결합을 이용하여 복소수를 구성하기 위해서 진폭과 위상의 곱셈(Multiplicative) 또는 실수와 허수의 덧셈(Additive)으로서 복소변조를 구현하는 것이 대표적인 방법이다[12].

2개 SLM 간의 광 결합은 2개 SLM들의 상응하는 픽셀 간 빛의 회절에 의한 크로스토크(Crosstalk) 잡음을 없애기 위하여 회절격자, 프리즘, 렌즈 어레이 등과 같은 다양한 광학소자를 적용하게 되며, SLM의 변조방식에 따라 다음과 같이 나누어 살펴본다.

가. 진폭과 위상 SLM의 광 결합 방식

일본 Seiko-Epson사는 1992년에 최초로 TN(Twisted Nematic) 구동되는 진폭변조용 액정과 전압제어복굴절(ECB) 위상변조용 액정 기기를 4f 광학계를 통해 순차적(Cascaded)으로 통과되는 입력 광의 복소파면(Complex Wavefront)을 제어하는 기기를 구현하였다[13].

캐나다 라발대(Universite Laval)는 1996년에 2개의 TNLC-SLM을 통해 광파의 진폭과 위상을 변조, 결합함으로써 복소변조를 구현하였다. 또한 룩업테이블(Look-Up Table) 인코딩으로 위상-진폭 결합에 의한 TNLC-SLM의 비선형적(Non-Linear) 변조 왜곡을 보정하였다[14].

대만 국립타이페이대학은 2개의 투과형 TNLCSLM을 4f 광학계를 통해 순차적으로 결합하고 SLM의 변조 특성을 측정한 후 진폭 보정을 달성하기 위해 두 번째 SLM의 진폭변조를 최적화함으로써 복소변조 성능을 향상시켰다[15].

스페인 바르셀로나대학교는 진폭과 위상을 변조하는 2개의 투과형 LCD를 별도의 광학계 없이 간단한 구조의 2f 광학계로 순차적으로 구성함으로써 복소변조 기능을 구현하였다[16].

또한, 대표적인 국내 연구진의 복소변조 SLM 기술개발 동향으로는 고려대학교와 LG디스플레이가 Double IPS(In-Plane Switching) 방식의 액정모드를 적용하여 투과형 풀 컬러 복소변조 SLM을 구현한 바 있다[17]. 특정 각도를 가진 Polarizer + Double IPS Cell + Analyzer로 결합된 구조이며, 결과적으로 적층된 Layer 간 연속된 두 Pixel의 변조 조합으로 위상변조 영역 0~2π, 진폭변조영역 0~0.2으로 Full Range 복소변조가 가능함을 이론적으로 확인하였고 샘플을 제작하였다. Double IPS SLM의 패널 간 정밀 합착을 위한 Panel Align System을 이용하여 Double IPS SLM 합착 시간을 단축하고 Align 정확도를 향상(Target ± 2μm)시켰다[17].

나. 위상변조 SLM의 광 결합 방식

중국 Huazhong 과학기술대는 2개의 위상변조 SLM을 이용하여 빛의 전체 광 필드를 조작함으로써 임의의 진폭과 위상 분포를 독립적으로 동시에 가지는 Laguerre-Gaussian 빔과 Bessel 빔과 같이 다양한 특수 종류의 빔을 생성하였다[18].

폴란드 바르샤바대는 2개의 반사형 위상변조 SLM에 2개의 Fresnel 홀로그램을 동시에 디스플레이하고 첫 번째 SLM의 위상분포를 두 번째 SLM의 반복기법에 의한 왜곡 보상 과정을 통해 SLM 변조 성능을 최적화함으로써 1개의 SLM에 확산판(Diffuser)을 적용한 방법과 비교하여 0차와 스페클 노이즈가 상당히 저감되어 개선된 홀로그램 영상 화질을 보였다[19].

다. 실수부와 허수부의 광 결합 방식

스페인 바르셀로나대학교는 2개의 반사형 아날로그 강유전체 액정 기반의 SLM과 PBS, 1/4 파장판(QWP), 편광기를 이용하여 각각의 SLM에 복소 광파의 실수부와 허수부를 표현함으로써 복소변조 기능을 구현하였다[20].

한편 1개의 SLM(Single-SLM)만을 이용하여 합성계수(Synthetic Coefficient) 방식의 복소진폭 공간 광 변조 기술 구현이 가능하다. 복소평면에서의 복소벡터를 정의하는 하나의 복소수 값을 2개나 3개 또는 4개의 위상 페이저(Phasor)로 구성되는 매크로 픽셀(Macro-Pixel)로 인코딩함으로써 복소수를 표현할 수 있다.

진폭변조 SLM에서 3개의 픽셀에 각각 120도 위상차를 가지는 Burckhardt 인코딩 방법으로 매크로 픽셀 단위의 복소변조를 표현할 수 있다[21]. 또한, 위상변조 SLM의 경우 2개의 픽셀(매크로 픽셀)로 구성된 double-phase 인코딩이 대표적인 복소변조 구현 방법이다[22]. 그러나 1개의 복소수 값을 표현하기 위하여 매크로 픽셀과 같이 다수개의 SLM 픽셀들을 합성해야 하므로 1개의 SLM을 이용한 복소변조 SLM의 구현은 해상도의 손실을 수반하는 단점이 있다.

가. 픽셀 합성계수 기반 복소변조 기술

미국 Texas Instruments사는 1개의 DMD(Digital Micromirror Device) SLM을 이용하여 매크로 픽셀 내 서브픽셀들의 상대적 위상을 제어함으로써 복소변조를 구현하였다[23].

영국 Sussex대학은 위상변조되는 아날로그 강유 전체 액정 SLM의 인접한 2개 픽셀에 실수와 허수부를 표현한 2×1 매크로 픽셀의 복소 푸리에(Fourier) 스펙트럼으로 복소변조 기능을 구현하였다[24].

멕시코 INAOE(National Institute of Astrophysics, Optics and Electronics) 연구소는 double-phase의 매크로 픽셀 인코딩을 1×2 또는 2×2 형태로 수정함으로써 복원 영상의 신호 대 잡음비(SNR) 화질이 성능 개선되는 복소변조 방법을 제안하였다[25].

스페인 Jaume I 대학교는 위상변조 SLM에 4f 광학계를 적용함으로써 공간적으로 샘플된 2개의 위상 요소의 결합으로써 단일픽셀 인코딩에 의한 복소 광 필드를 생성하였다[26].

미국 마이크로소프트사는 2017년에 위상변조 SLM을 이용한 안경형(Near-Eye) 홀로그래픽 디스플레이 구현에 효율적인 위상분포를 가지는 double-phase 인코딩 기반 홀로그램 생성 기법을 적용하였다[27].

나. 블록 합성계수 기반 복소변조 기술

대만 펑쟈(Feng Chia) 대학교는 투과형 SLM의 2개 블록영역에 각각 프레넬(Fresnel) 홀로그램의 실수와 허수부의 진폭 정보를 나누어 입력한 후 정현파 격자(Sinusoidal Grating)의 푸리에 평면에서 중첩시킴으로써 복소변조 기능을 구현하였다[28].

독일 SeeReal은 double-phase 홀로그램 방법을 이용하여 진폭과 위상을 동시에 독립적으로 변조하는 방법을 개발하였다. 위상변조 SLM에서 편광감응요소(Polarized-Sensitive Components)를 사용하여 2개의 인접한 픽셀들의 간섭을 위해 중첩시키는 방식을 적용하였다[29,30].

한편 국내 연구개발 동향으로 삼성종합기술원(SAIT)은 평면 액정패널을 이용하여 위상변조된 2개의 빛을 프리즘과 회절격자로 광 결합하여 복소변조하였다. 이때 1개의 SLM에서 대칭적으로 분리된 영역에 표시되는 double-phase로 구성된 2개의 위상 홀로그램을 결합하기 위하여 4f 시스템과 이진 위상 격자(Phase Grating) 필터를 푸리에 평면에 위치시켰다[31].

인공적으로 제작된 메타물질은 나노 단위의 매우 작은 크기를 가지는 구조에 따라 새로운 물질 특성을 구현할 수 있다[32]. 특히 메타물질의 2차원 박막 형태인 메타표면(Meta-Surface)으로 가시광 파장 이하의 초미세 픽셀의 구현뿐만 아니라 빛의 파장보다 작은 크기를 가지는 메타표면의 나노 구조를 이용하여 빛의 위상과 진폭을 독립적으로 변조할 수 있으며 픽셀 간의 간섭도 원천적으로 차단하는 것이 가능하다. 그러나 공정 이후 고정된 영상만이 재현되고 특정 파장대역에서만 동작한다는 단점이 있다[32,33].

최근 다양한 파장대역에서 동작되는 메타물질의 소재 개발뿐만 아니라 수동소자 혹은 단순 스위칭 소자 수준에서 광메타 기술을 이용한 메타표면 홀로그램 구현에 대한 연구들이 최근 활발히 진행되고 있다.

가. 메타물질 소재 기술

메타광학 또는 메타물질 기술로서 그래핀 소재는 마이크로파, 테라헤르쯔, 적외선 대역에서 활용 가능하며, 금속 및 유전체의 다양한 조합에 의한 유효 매질 메타소재에 대한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다[33,34]. 메타표면이 홀로그래픽 디스플레이와 같은 산업적 용도의 SLM으로 활용되기 위해서는 외부 구동 신호에 따라 능동적으로 빠르게 동작하는 능동 메타물질의 소재가 반드시 필요하다. 특히 가시광 파장 대역에서 실시간으로 동작할 수 있는 능동형 메타구조 기술은 어려운 과제임에도 지속적인 연구개발이 필요한 주제이다.

나. 능동 광메타 기반 복소변조 디바이스

능동 광메타 디바이스 기술은 새로운 메타소재 개발과 나노기술, 반도체·디스플레이 기술이 결합되어야 구현이 가능하다. 비록 기술개발 초기 단계이지만 국내 대학과 연구소는 세계적으로 광메타 분야를 선도하는 수준의 연구를 진행하고 있다[35]. 최근 ETRI와 포항공대는 고화질 광시야각의 홀로그램용 복소 광변조 능동 메타소재 및 물질 개발을 위한 원천연구 과제를 착수했으며, 삼성종합기술원은 적외선 대역에서 tunable 메타표면 기반의 복소 변조 SLM을 구현함으로써 3D 스캐닝용 LiDAR에 적용 가능성을 보였다[36].