POSTECH(포항공과대·총장 김무환)은 노준석 POSTECH 기계공학과·화학공학과 교수와 양영환 기계공학과 통합과정 학생, 윤관호 박사 연구팀이 가시광선을 투과시키는 투명한 비정질 실리콘을 발견해 헤드마운트 디스플레이(HMD)를 종잇장처럼 얇은 안경렌즈로 볼 수 있도록 했다고 7일 밝혔다. 헤드마운트 디스플레이는 가상·증강현실(VR·AR) 이미지를 실시간으로 보여주는 장치다.

빛은 굴절률이 높을수록 많이 휘기 때문에 가상·증강현실을 위한 디바이스를 설계할 때 굴절률이 높은 물질이 필수다. 하지만 대부분의 고굴절률 물질은 빛을 흡수하는 경향이 있다. 이것을 초박막렌즈나 홀로그램과 같이 빛을 조절해 이미지를 만드는 디바이스에 사용하면 성능이 떨어지는 현상이 나타났다. 지금까지 제시된 광학 소재들은 낮은 굴절률로 높은 투과율을 지니거나, 그 반대로 높은 굴절률에 낮은 투과율을 지니고 있어 가볍고 효율이 높은 광학 디바이스를 만드는데 한계점이 있었다.

연구팀은 투명한 비정질 실리콘을 개발하기 위해 흔히 사용되고 있는 플라즈마화학기상증착방식을 활용했다. PECVD로 실리콘을 증착하는 과정 중에서 온도, 압력, 플라즈마 세기, 수소비율 등 다양한 변수들을 하나씩 탐구했다. 그 결과 각 변수가 분자 간 결합에 미치는 영향을 밝혀냈다.

또한 불완전한 실리콘 원자결합 사이에 수소 원자를 삽입해 실리콘 원자간 규칙성을 높이는 방법을 찾아내고, 이를 통해 높은 굴절률을 지니면서 상당한 투과율을 지니는 비정질 실리콘 원자구조를 밝혔다. 더불어 기존 실리콘으로 조절할 수 없었던 빨강, 초록, 파란색 빛을 원하는 방향으로 회절시키는 데 성공했다.

투명한 비정질 실리콘은 기존 렌즈의 1000분의 1수준인 초박막렌즈나 홀로그램 디바이스를 값싼 가격으로 만들 수 있다는 장점이 있다. 그동안 열적외선 카메라 등에서만 이용되던 비정질 실리콘을 가시광 영역에서 광소자로 활용할 수 있다는 점에서 실리콘의 사용 범위도 넓혔다.

노준석 교수는 "눈에 보이는 모든 빛을 제어할 수 있는 광학 소자의 발견으로 지금껏 관심 두지 않았던 원자결합구조와 가시광영역 연관성에 대한 실마리를 풀었다"라며 "모든 색을 조절할 수 있는 광소자를 값싼 가격에 생산할 수 있게 됨에 따라 영화에서만 보던 가상·증강현실, 홀로그램 기술 상용화에 더 가까이 가게 됐다"고 기대했다.

삼성미래기술육성사업, 과기부 중견연구자지원사업, 과기부 글로벌프론티어사업, 과기부 RLRC선도연구센터사업, 과기부 미래소재디스커버리사업, 현대차정몽구장학금, 한국연구재단 학문후속세대 양성사업 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.