보도자료
배포일	2022년 9월 0014일(화수)			엠바고	온라인 : 2022년 9월 14일(수) 12:00 지 면 : 2022년 9월 15일(목) 조간
문 의	연구부서	화학소재연구본부 가재원 책임연구원(042-860-7242, 010-5107-7973)
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한국화학연구원, 이산화탄소를 나프타로 직접 전환하는 고성능 촉매기술 개발투명하고, 잘 늘어나며, 내열 특성이 우수한 환형 올레핀계 고분자 수지 개발한국화학연구원, 초실감 메타버스 적용 신개념 홀로그램 소재 개발 - 광역학 메커니즘 이용한 비확산형 신개념 소재 개발… 자동차, 문화, 교육, 의료, 군사, 보안 등 다양한 산업분야 응용 기대 - Advanced Photonics Research 2022년 8월호 표지 논문 게재

□ 코로나 팬더믹 이후 비대면 사회가 지속되면서 전세계적으로 확장현실 (XR)* 및 메타버스** 기술에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 국내 연구진이 실감형 메타버스를 구현할 수 있는 신개념 홀로그램 기록소재를 개발하는데 성공했다.

* 확장현실(XR, eXtended Reality) : AR 및 VR 기술에 홀로그램 기술을 반영

** 메타버스(Metaverse) : 초월, 가상을 뜻하는 ‘Meta’와 세계를 뜻하는 ‘Universe’의 합성어로 현실을 초월하는 가상세계를 의미

◯ 한국화학연구원(원장 이미혜) 가재원 박사 연구팀과 경북대학교 김학린 교수 연구팀은 최근 발표된 연구 논문에서, 광역학 메커니즘을 이용한 비확산형 홀로그램 기록소재를 개발하였다고 보고하였다.

◯ 연구팀이 개발한 홀로그램 기록소재를 통해 기존의 소재로 구현하기 힘들었던 자동차용 홀로그래픽 HUD*, 확장현실 스마트 글라스 등의 응용분야에도 손쉬운 적용이 기대된다.

* HUD(Head-Up Display, 헤드-업 디스플레이) : 자동차 등의 교통수단 앞면 유리에 설치한 주행보조 화면 표시 장치로, 운전자 편의를 위한 각종 정보(길안내, 안전표지, 멀티미디어 정보 등)를 운전자 눈높이에 표시하여 시선을 다른데로 돌리지 않아도 돼 안전운전에 크게 도움이 됨

□ 국내에서 메타버스 플랫폼은 싸이월드란 이름으로 경험했었고, 최근에는 제페토, 게더타운 등의 메타버스 플랫폼 유행으로 친숙한 용어가 되었다.

◯ 하지만 현재 구현된 메타버스는 주로 2차원 캐릭터로, 현실감이 떨어진다는 단점이 있다. 이점을 보완하여 사용자에게 극강의 현실감과 몰입감을 주는 기술인 ‘확장현실(XR)’을 통해 메타버스를 완벽히 구현할 수 있다. 실제로 애플, 구글, 마이크로소프트, 메타 등 글로벌 기업에서 XR용 스마트 디바이스를 개발하고 있다.

◯ 이러한 XR의 핵심은 ‘홀로그램*’ 기술이다. 빛의 색과 명암만을 기록한 사진과 달리 홀로그램을 활용하면 실감나는 입체 영상을 구현할 수 있다.

* 홀로그램 : 빛의 간섭 및 회절 특성을 이용하여 사물의 완전 입체정보를 기록한 기록물

◯ 하지만 ‘홀로그램 기록’을 위한 기존의 ▲은염 소재는 필름카메라의 사진 인화 작업과 같은 습식공정이 필수적이므로 대량 제작이 쉽지 않다. 또한 ▲포토폴리머 소재는 이 문제를 극복하였지만 극소수의 미국, 독일 등 외국 기업이 독점하고 있으며, 홀로그램 기록과정에서 반드시 광반응성 화합물의 확산과정*이 수반되어야 해서 다양한 응용분야에 적용하는데 한계가 있다.

* 확산과정 : 레이저를 맞은 부분과 맞지 않은 부분 사이의 단량체 농도차이가 발생하여, 맞지 않은 부분에서 맞은 부분쪽으로 단량체의 이동이 일어남

◯ 이에 연구팀은 기존 홀로그램 기록소재들의 이러한 단점들을 보완하여, 광반응성 화합물의 확산 과정이 수반되지 않는 간단한 조성의 광역학 메커니즘이 적용된 홀로그램 기록용 소재를 개발하였다.

□ 광역학 메커니즘 기반 홀로그램 기록용 조성물

▲비확산형 홀로그램 기록 조성물을 필름화하여 홀로그램을 기록하면, 다양한 기능의 홀로그래픽 광학부품으로 응용 할 수 있다. 이는 실감형 확장현실을 구현하는 필수 요소이다.

□ 홀로그램은 ①조성물을 ②필름화하여 ③홀로그래픽 광학부품으로 ‘기록’하는 과정을 거치는데, 연구팀은 ▲적색, 녹색, 청색 등 특정 파장의 레이저 빛에 반응하는 ‘광민감성 물질’과 ▲ 빛의 투과도나 굴절율을 바꾸는 ‘수용체’, 그리고 ▲이 둘이 고르게 분포된 필름을 만들 고분자 매트릭스 등 3가지 구성성분을 활용해 새로운 조성물을 개발하였다.

◯ 개발한 조성물의 ‘광민감제’는 레이저를 쏘면 반응성이 매우 큰 활성산소종을 만들어 주변의 ‘수용체’와 빠르게 반응하여 ‘수용체’의 구조를 변화시키고 레이저를 맞지 않은 부분과 차이가 발생한다. 이러한 원리로 필름에 홀로그램을 기록할 수 있다.

◯ 이렇게 개발한 조성물 필름에 홀로그램을 기록하면, 매우 얇으면서 다양한 기능을 가진 홀로그래픽 광학부품*으로 응용이 가능하다. 이는 기존의 소재 대비 조성물의 구성성분이 세가지로 간단하고, 반응물질의 확산 과정이 불필요해 손쉽게 홀로그래픽 광학부품용 소재로 활용이 가능하다.

* 홀로그래픽 광학부품 (Holographic optical element, HOE) : AR, VR과 같은 가상현실에서 사물을 입체적으로 표시하는데 필요한 중요 부품

◯ 이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 포토닉스 리서치(Advanced Photonics Research)’ 2022년 8월호 표지논문으로 게재됐다.

◯ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 관련 이미지 및 사진

□ 어드밴드스드 포토닉스 리서치 8월호 표지논문 선정

- 논문명(영) : A Conceptual Study on Photodynamic Control-Mediated Holographic Composites

- 논문명(국) : 광역학 메커니즘에 기반한 홀로그램 기록용 조성물에 관한 개념 연구

□ 광역학 메카니즘 기반 홀로그램 기록용 조성물 개발

▲광역학 메카니즘은 특정 파장의 빛에 의해 광민감제가 들뜬 상태로 되고 이 에너지를 반응성이 없는 삼중항 상태의 산소에 전달하여 반응성이 매우 큰 단일한 상태의 산소를 생성하게 되고 이 화학종이 주변 수용체의 구조를 변화시켜 홀로그램을 기록할 수 있게 해 준다.

□ 빛에 의한 패터닝 및 홀로그램 기록 특성 평가

▲빛에 노출된 부분에서만 활성산소종이 생성되고 또한 이 활성산소종이 주변으로 확산되어 빛에 노출되지 않은 곳까지 수용체의 구조를 변화시키면 홀로그램 기록에 응용할 수 없는데, 셰도우 마스크를 사용한 패터닝 실험을 통해 빛에 노출된 부분만 수용체의 구조가 바뀌는 것을 확인하였다. ▲이러한 실험 결과를 바탕으로 실제로 그림과 같은 광학계를 통해 홀로그램을 기록하여 그 특성을 평가하였다. 홀로그램이 잘 기록되며, 이때의 회절 효율은 최대 4.42%를 보였다. 이는 기존에 보고된 투과율 변화를 이용한 홀로그램 기록특성에서 보여진 1% 미만의 회절효율값보다 매우 큰 값이다.(회절효율은 값이 클수록 우수한 홀로그램 기록재료임)

□ 홀로그래픽 광학부품의 응용

▲홀로그래피(Holography) 기술에 의해 제작한 얇고 유연한 필름형태의 광학부품을 적용한 예

연 구 결 과 문 답

이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)		- 기존 홀로그램 기록소재로는 은염, 포토폴리머 등이 있는데, 이중 은염은 습식공정이 반드시 필요하다는 단점이 있음. 건식, 고속 공정이 가능한 포토폴리머가 각광 받고 있으나 소수의 외국기업이 독점적으로 제한 공급하고 있음 - 기존의 포토폴리머 소재는 레이저 조사에 의한 광반응성 단량체의 고분자화와 이에 따른 단량체의 확산 메커니즘으로, 홀로그램을 기록하는데, 단량체의 확산이 반드시 수반되어야 함에 따라 여러 문제점이 있음(수축, 내열성, 기록 조성물이 복잡, 균일한 필름화) - 확산형 포토폴리머의 가장 대표적인 문제점은 단량체의 확산을 위해 내열성이 낮은 매트릭스 고분자를 사용함으로 인해 고내열 특성을 요구하는 응용분야 (자동차, 군사 등)에는 사용이 제한됨 - 본 연구에서 레이저 조사에 의해 반응성이 매우 큰 활성산소종이 생성되고 주변의 수용체와 쉽게 반응하여 물질의 투과율을 변화시키는 광역 메커니즘 기반 비확산형 홀로그램 기록소재를 개발함
어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)		- 실감형 디스플레이 (XR 스마트 글라스, 자동차용 홀로그래픽 헤드업 디스플레이) 초박형 광학부품 (렌즈, 광추출기 등) - 홀로그램 응용 분야는 군사, 의료, 보안, 정밀측정, 문화, 교육등 활용 범위가 무궁무진 함
실용화를 위한 과제는?		- 고감도, 고선택성 광민감제 개발 - 고내열 수용체 개발 필름화 및 대량합성 적용을 위한 공정기술 개발
실용화 가능 시기는?		- 홀로그램 관련 연구는 많이 이루어졌지만 실감형 디스플레이 구현을 위한 기술은 아직 초기 단계로, 본 연구성과를 기반으로 소재 분야 국내 기업 및 디바이스 관련 기업과의 협업을 통해 실용화를 할 수 있을 것으로 전망
산업적, 경제적 파급효과는?		- 메타버스 및 가상현실에 대한 관심이 꾸준히 증가하고 있는 상황에서 실감형 디스플레이용 소재를 개발하여 디바이스에 적용함으로서 초실감 메타버스를 구현할 수 있음 - 현재 애플, MS, 구글, 메타 등 글로벌 IT 기업들은 기존 AR 기술에 홀로그램 기술을 접목한 XR 스마트 글라스를 스마트폰을 대체할 차세대 플랫폼 기술로 보고 개발 및 상용화에 박차를 가하고 있음. XR 스마트 글라스에 필요한 광학부품은 홀로그램 기록소재로부터 얻어지며 개발 완료시 우리나라가 갖고 있는 초고속 이동통신 (5G), 인공지능 (AI)과 연결 큰 산업적, 경제적 파급효과 있을 것으로 기대