빛의 정보, 색깔, 위상, 편광과 같은 다양한 정보를 하나의 광학 소자 안에서 조절해 위변조가 원천적으로 불가능한 위조 방지 스마트 라벨 및 보안 기술이 나왔다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 김인기 박사, 화학공학과 통합과정 장재혁 연구원, 기계공학과 통합과정 김경태 연구원 등의 연구팀이 머리카락 두께의 1,000분의 1 정도밖에 되지 않는 초박형 광학소자인 메타표면을 이용해 자연광과 레이저 빛에서 동시에 작동하는 암호화된 홀로그램 프린팅 기술을 개발했다. 

이러한 원리로 구현된 프린트된 라벨은 특정 편광상태를 갖는 홀로그램 이미지를 생성할 수 있다. 연구팀은 이를 ‘벡토리얼 홀로그램’이라 명명했다. 

지금까지 보고된 대부분의 메타표면 장치는 색깔이나 위상 또는 편광 등의 하나의 정보만을 조절할 수 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하고자, 복수의 메타표면을 그룹지어 기능성 픽셀을 구성했다.

구체적으로, 메타표면의 기본이 되는 단위 구조에서는 크기로 빛의 색깔을, 각도로는 위상을 조절하고, 픽셀화된 그룹 내에서의 좌원편광과 우원편광을 나타내는 그룹의 비율과 상대적으로 돌아간 각도를 통해서는 빛의 모든 편광을 표현할 수 있도록 디바이스를 설계했다. 이렇게 다양한 빛의 자유도를 조절하며 동시에 효율을 극대화하기 위해 메타표면은 공진기와 광 도파로의 역할을 동시에 수행한다.

이렇게 설계된 벡토리얼 홀로그램 라벨은 맨눈으로 보거나 카메라로 스캔했을 때, 다양한 색상을 갖는 QR코드로 나타난다. 동시에 라벨에 레이저 빛을 비췄을 때는 인코딩된 홀로그램 이미지가 3차원 공간에 펼쳐진다. 이 홀로그램 이미지는 지금까지의 홀로그램과 다르게 각 이미지 부분마다 특별한 편광상태를 갖게 된다.

연구팀은 이번 연구에서 개발한 벡토리얼 홀로그래픽 컬러프린팅 기술은 현재 은행 업무에서 접속 때마다 그때그때 필요한 비밀번호를 생성하고, 그 번호를 통해 사용자를 확인하는 방식의 2단계 암호화된 OTP(One-Time Password, 일회용 비밀번호) 기술을 광학 기반으로 구현한 것이다.

1차적으로 사용자가 메타광학 장치를 휴대폰으로 QR코드를 스캔하게 되면, 난수로 구성된 1차 비밀번호가 나오게 된다. 이 1차 비밀번호를 메타광학 장치에 전압 정보로 걸어주게 되면, 마치 첩보 영화에서 등장하는 장면과 같이 2차 비밀번호가 암호화된 홀로그램 영상으로 공간 위에 띄워진다.

노준석 교수는 “벡토리얼 홀로그래픽 컬러프린팅 기술은 현재까지 보고된 메타표면 장치보다 더욱 고도화되어 빛의 다양한 자유도를 하나의 광학 소자로 조절할 수 있음을 입증했다”며 “이는 매우 완성도 높은 광학 OTP 장치로 메타 원자 설계 및 푸리에 광학 기반 정보 인코딩 원천 기술이 될 것”이라고 덧붙였다.

한편, 연구팀은 지난 5년간 메타표면 광학 장치를 통해 국내외에서 선도적인 연구를 수행하고 있으며, 특별히 이번에 개발 중인 메타광학 장치는 크게 광학센서, 홀로그래픽 디스플레이, 그리고 위변조 방지 기술 분야에서 상용화 가능성이 높은 것으로 기대된다.

이 연구성과는 국제 과학 저널인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 '광학 보안 플랫폼을 위한 픽셀화된 메타표면 기반 능동형 벡토리얼 홀로그래픽 컬러프린팅(Pixelated bifunctional metasurface-driven dynamic vectorial holographic color prints for photonic security platform-다운)' 이란 제목으로 지난달 14일 게재됐다.