폰카메라 더 작아진다…국내 연구진, 1만배 얇은 초박막렌즈 개발

나노입자 복합재로 머리카락보다 100배 얇아

삼성전자 종합기술원·포항공과대·고려대 개발

나노복합재 기반 나노프린팅 공정 모식도와 이를 통해 제작된 실리콘 나노복합재 메타렌즈(왼쪽)와 메타렌즈의 전자현미경 사진. 1인치 렌즈튜브에 결합된 4 mm 메타렌즈.ⓒ과학기술정보통신부

국내연구진이 기존 굴절렌즈보다 1만배 얇은 초박막렌즈 개발에 성공해 스마트폰에 들어가는 카메라 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 길이 열렸다.

과학기술정보통신부는 노준석 포항공과대 기계공학과·화학공학과 교수 연구팀이 이헌 고려대 신소재공학부 교수 연구팀, 한승훈 삼성전자 종합기술원 이미징 디바이스랩 마스터 팀과 함께 기존 굴절렌즈의 성능을 유지하되 두께는 1만배 얇은 적외선 초박막렌즈와 대량생산 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

크고 무거운 기존 광학소자의 한계를 극복하는 연구성과로 메타물질 상용화에 크게 이바지할 수 있다는 가능성을 인정받아 세계적인 학술지 ACS Nano(IF=14.588)에 이날 온라인 발표됐다.

광학소자는 빛의 진폭·위상·주파수 등 다양한 특성을 제어할 수 있는 소자다. 메타물질은 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공원자로 이루어진 새로운 물질을 말한다.

빛을 모으는 렌즈는 스마트폰, DSLR 카메라 등 최신 전자기기와 광학기기에 없어서는 안 될 핵심 부품이지만 기존의 굴절렌즈는 크고 무거우며, 부피를 줄일수록 성능이 저하되는 한계가 있었다.

스마트폰에 들어가는 카메라는 이미지 왜곡을 줄이기 위해 8~9개의 굴절렌즈로 이루어진 복합 렌즈를 사용하는데, 복합 렌즈의 두께를 줄이기가 어렵기 때문에 스마트폰 뒤쪽에 카메라가 튀어나오는 소위 ‘카툭튀’ 문제가 발생한다.

DSLR 카메라에 사용되는 굴절렌즈의 경우 최소 500g에서 고성능 제품으로 갈수록 4kg을 넘어서기 때문에 얇고 가벼운 렌즈에 대한 수요가 높다.

연구진은 높은 성능을 가지면서도 부피는 작은 렌즈를 개발하기 위해 메타물질 기반의 렌즈를 연구했다. 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 가능하다.

그러나 기존에 매타물질 제작에 활용하던 전자빔 리소그래피는 공정 속도가 느리고 단가가 매우 비싸기 때문에 이를 통해 제작된 메타물질의 단가 역시 높을 수밖에 없어 기존의 메타물질 연구는 실험실 수준을 벗어날 수 없었다. 전자빔 리소그래피는 전자빔을 강한 전압을 통해 집속 시켜서 나노미터 수준의 패턴을 가공할 수 있는 나노공정 기술이다.

기존 렌즈(왼쪽)와 메타렌즈 두께 비교 사진.ⓒ과학기술정보통신부

연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 메타물질 구현에 적합한 광특성을 가짐과 동시에 자유자재로 성형이 가능한 나노복합재 기반의 새로운 나노성형소재와 이를 한 번의 공정으로 성형할 수 있는 원스텝 프린팅 기술을 개발하는 데 성공했다.

나노성형소재는 감광응성 레진에 나노입자를 섞어 제작했다. 이 경우 나노입자의 종류와 농도에 따라 나노성형소재의 광특성을 광범위하게 제어할 수 있어 메타물질 제작에 주로 사용되던 기존 소재를 대체할 수 있다. 소재 단가도 기존 소재에 비해 월등히 저렴하여 경제성이 높다. 감광응성은 평소 액체상태로 존재하지만 빛을 받으면 딱딱한 플라스틱으로 굳는 성질을 가진 물질을 말한다.

로운 나노성형소재의 원스텝 프린팅 기술은 기존의 전자빔 리소그래피에 비해 100배 이상 빠른 속도로 메타물질을 제작하는 것이 가능하다. 기존 공정 기술과는 호환이 어려운 곡면기판과 유연기판상에도 메타물질을 구현할 수 있다, 최근 많은 관심을 받고 있는 착용형 기기에도 적용 가능하다.

연구진은 실리콘 나노복합재와 프린팅 기술을 바탕으로 머리카락의 두께보다 100배 이상 얇은 1 마이크로미터 두께의 초박막 메타렌즈를 개발하고 이를 통해 실제 광학계와 결합해 이미징에 성공했다. 연구 성과의 실제 응용 가능성도 검증했다.

노준석 교수는 “이 연구에서 구현된 초박막 메타렌즈는 동일한 광학적 특성을 가진 기존의 적외선 굴절렌즈보다 1만배 얇기 때문에 크고 무거운 굴절렌즈로 인한 여러 가지 문제들을 해결할 수 있을 것”이라며 “향후 적외선 내시경·폐쇄회로(CC)TV·야간투시경 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다.

이 연구성과는 전자기·역학분야 메타물질 핵심원천기술확보와 실용화 연구를 추진 중인 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한제어 연구단) 등의 지원을 받아 수행됐다.