포스텍-고려대-삼성전자 연구팀, 머리카락보다
100배 얇은 메타렌즈 및 대량생산 기술 개발


스마트폰 카툭튀가 사라질 수 있을까?

과학기술정보통신부는 2일, 포항공과대학교 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 적외선 초박막 렌즈와 이를 대량생산하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

기존 굴절렌즈는 크고 무거우며, 부피를 줄일수록 성능이 저하되는 한계가 있었다. 스마트폰 카메라는 이미지 왜곡을 줄이기 위해 8~9개의 굴절렌즈로 이루어진 복합 렌즈를 사용하는데, 복합 렌즈의 두께를 줄이기 어려워 스마트폰 후면에 카메라가 튀어나오는 문제가 발생한다.

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 평면 렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토와 같은 이전에 없던 광학기기 구현이 가능하여 전 세계에서 많은 연구가 이루어지고 있다.

그러나 메타물질 제작에 활용되는 전자빔 리소그래피 공정은 속도가 느리고 단가가 비싸 이를 통해 제작된 메타물질의 단가 역시 높았다. 연구진은 이를 극복하기 위해 메타물질 구현에 적합한 광특성을 가짐과 동시에 자유자재로 성형이 가능한 나노복합재 기반의 나노성형소재와 이를 한 번의 공정으로 성형할 수 있는 원스텝 프린팅 기술을 개발하는 데 성공했다.

나노성형소재는 평소에는 액체 상태로 존재하나 빛을 받으면 딱딱한 플라스틱으로 굳는 성질을 가진 감광응성 레진에 나노입자를 섞어 제작했다. 이 경우 나노입자의 종류와 농도에 따라 나노성형소재의 광특성을 광범위하게 제어할 수 있어서 메타물질 제작에 주로 사용되던 기존 소재를 대체할 수 있으며, 소재 단가 또한 기존 소재보다 저렴하여 경제성이 높다.

새로운 나노성형소재 원스텝 프린팅 기술은 기존의 전자빔 리소그래피에 비해 100배 이상 빠른 속도로 메타물질을 제작하는 것이 가능하다. 또한, 기존 공정과 호환이 어려운 곡면 및 유연기판에 메타물질을 구현할 수 있어 웨어러블 기기에도 적용하는 것이 가능하다.

연구진은 실리콘 나노복합재와 프린팅 기술을 바탕으로 머리카락의 두께보다 100배 이상 얇은 1㎛(마이크로미터) 두께의 초박막 메타렌즈를 개발하고 이를 통해 실제 광학계와 결합하여 이미징에 성공하며 연구성과의 실제 응용 가능성도 검증했다.

노준석 교수는 “초박막 메타렌즈는 동일한 광학적 특성을 가진 기존 적외선 굴절렌즈보다 10,000배 얇아 크고 무거운 굴절렌즈로 인한 여러 문제를 해결할 수 있으며, 향후 적외선 내시경, CCTV, 야간투시경 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것”이라 기대했다.

한편, 이번 연구 성과는 세계적인 학술지 ACS 나노(Nano)에 ‘Printable Nanocomposite Metalens for High-Contrast Near-Infrared Imaging’이란 제목으로 2021년 1월 1일 자에 게재됐다.