카메라 렌즈 두께 1만분의1로…초박막 메타렌즈 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 포스텍 노준석 교수를 중심으로 한 국내 연구진이 광학 메타물질을 활용해 기존보다 1만배 얇은 초박막 굴절렌즈를 개발했다고 발표했다.

연구팀은 초고굴절률을 가진 메타물질을 렌즈에 적용하는 데 성공했다고 밝혔다. 또한 이 메타물질을 대량생산할 수 있는 공정기술을 함께 개발, 실험실에 머물던 메타물질의 상용화 가능성도 크게 높였다. 메타물질 기반의 초박막 렌즈가 개발되기 시작하면 스마트폰 카메라를 비롯해 다양한 광학기기의 크기와 무게가 더욱 획기적으로 줄어들 수 있다.

포스텍 기계/화학공학과 노준석 교수 연구팀은 고려대 신소재공학부 이헌 교수 연구팀, 삼성전자 종합기술원 이미징 디바이스랩 한승훈 마스터 팀과 함께, 기존 굴절렌즈의 성능을 유지하면서 두께는 1만배 얇은 적외선 초박막렌즈 제작기술을 국제 학술지 'ACS 나노' 1월 1일자에 발표했다. (논문명: Printable Nanocomposite Metalens for High-Contrast Near-Infrared Imaging)

연구팀은 고효율 메타물질을 대량생산할 수 있는 새로운 공정기술을 개발하고, 이를 활용해 직경 4mm, 두께 1 μm의 대면적 메타렌즈를 제작했다. 또한 제작된 메타렌즈와 적외선 이미지센서를 결합해 만든 초소형 적외선 카메라모듈로 실제 성능과 활용 가능성을 입증했다.

렌즈는 스마트폰, DSLR 카메라 등 최신 전자기기 및 광학기기에 없어서는 안 될 핵심 부품이지만 물리적으로 크기와 부피를 줄이는 데는 한계가 있다. 스마트폰에 들어가는 카메라는 8~9개의 굴절렌즈로 이루어진 복합 렌즈를 사용하는데, 복합 렌즈의 두께를 줄이기가 어렵다. 또한, DSLR 카메라에 사용되는 굴절렌즈의 경우 최소 500g에서 고성능 제품으로 갈수록 4kg을 넘어서기 때문에 얇고 가벼운 렌즈에 대한 수요가 매우 높다.

연구진은 높은 성능을 가지면서도 부피는 작은 렌즈를 개발하기 위해 메타물질 기반의 렌즈를 연구해 왔다. 메타물질은 기존의 물질이 제공하지 못하는 음굴절 및 초고굴절 등 다양한 광특성을 자유자재로 제어할 수 있어 초박막 평면렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토와 같은 이전에 없던 새로운 광학기기 구현이 가능할 것으로 기대돼 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 메타물질은 다양한 응용가능성에도 불구하고 대량생산 공정의 부재로 인해 실험실 수준을 벗어나지 못하고 있다.

연구진은 기존에 메타물질 제작에 활용하던 전자빔 리소그래피 공정을 대신해 고효율 메타물질을 대량생산할 수 있는 실리콘 나노복합재 기반의 나노프린팅 공정을 개발했다. 메타물질 구현에 적합한 높은 굴절률을 가지면서 자유자재로 성형할 수 있는 새로운 나노성형소재를 개발하고, 이를 한 번의 인쇄공정으로 제작할 수 있는 기술을 개발한 것이다. 실리콘 나노복합재는 50 나노미터 크기의 실리콘 나노입자를 열경화성 레진에 분산시켜 제작했으며, 적외선 영역(940 nm)에서 2.2를 상회하는 높은 굴절률을 나타냈다.

연구진은 "이번에 개발한 나노복합재는 높은 굴절률을 갖기 때문에 고효율 메타물질의 소재로 바로 사용할 수 있으며 증착이나 식각 공정이 필요없는 원스텝 프린팅 기술은 기존의 전자빔 리소그래피에 비해 100배 이상 빠르다"고 밝혔다. 특히 기존 공정 기술과는 호환이 어려운 곡면기판 및 유연기판 위에도 메타물질을 구현할 수 있기 때문에 웨어러블 기기에도 적용할 수 있을 것으로 기대했다

노준석 교수는 “이번 연구에서 구현된 초박막 메타렌즈는 동일한 광학적 특성을 가진 기존의 적외선 굴절렌즈보다 1만배 얇기 때문에 크고 무거운 굴절렌즈로 인한 여러 가지 문제들을 해결할 수 있을 것이며, 향후 적외선 내시경, CCTV, 야간투시경 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.