국내연구진이 기존 굴절렌즈보다 10,000배 얇은 초박막렌즈 개발에 성공하여 스마트폰에 들어가는 카메라의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 길이 열렸다.

과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)는 포항공과대학교(총장 김무환) 기계공학과/화학공학과 노준석 교수 연구팀이 고려대학교 신소재공학부 이헌 교수 연구팀, 삼성전자 종합기술원 이미징 디바이스랩 한승훈 마스터 팀과 함께, 기존 굴절렌즈의 성능을 유지하되 두께는 10,000배 얇은(머리카락보다 100배 얇은 수준) 적외선 초박막렌즈 및 이의 대량생산 기술을 개발하였다고 밝혔다.

이는 크고 무거운 기존 광학소자의 한계를 극복하는 연구성과로 메타물질의 상용화에 크게 이바지할 수 있다는 가능성을 인정받아 세계적인 학술지 ACS Nano(IF=14.588)에 2021년 1월 1일 온라인 발표되었다.

빛을 모으는 렌즈는 스마트폰, DSLR 카메라 등 최신 전자기기 및 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.

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 연구 하였는데, 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 가능하여 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다.

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.

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 성공하였다.

나노성형소재는 감광응성 레진에 나노입자를 섞어 제작하였다. 이 경우 나노입자의 종류와 농도에 따라 나노성형소재의 광특성을 광범위하게 제어할 수 있기 때문에 메타물질 제작에 주로 사용되어 오던 기존의 소재를 대체할 수 있으며, 소재의 단가 또한 기존의 소재에 비해 월등히 저렴하여 경제성이 높다.

또한 새로운 나노성형소재의 원스텝 프린팅 기술은 기존의 전자빔 리소그래피에 비해 100배 이상 빠른 속도로 메타물질을 제작하는 것이 가능하며 기존 공정 기술과는 호환이 어려운 곡면기판 및 유연기판상에도 메타물질을 구현할 수 있기 때문에 최근 많은 관심을 받고 있는 착용형 기기에도 적용하는 것이 가능하여 앞으로의 발전가능성이 더욱 기대된다.

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

노준석 교수는 “본 연구에서 구현된 초박막 메타렌즈는 동일한 광학적 특성을 가진 기존의 적외선 굴절렌즈보다 10,000배 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 연구의 파급력을 설명했다.

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