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

□ 과학기술정보통신부는 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 노준석 교수 연구팀이 고려대학교 신소재 공학부 이헌 교수 연구팀, 삼성전자 종합기술원 이미지이디바이스랩 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 1월1일 온라인 발표되었다. 

*광학소자 : 빛의 진폭, 위상, 주파수 등 다양한 특성을 제어할 수 있는 소자

**메타물질 : 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공원자로 이루어진 새로운 물질

​□ 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 이미지왜곡을 줄이기 위해 8~9개의 굴절렌즈로 이루어진 복합렌즈를 사용하는데, 복합렌즈의 두께를 줄이기가 어렵기 때문에 스마트 폰 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 연구하였는데, 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 공정속도가 느리고 단가가 매우 비싸기 때문에 이를 통해 제작된 메타물질의 단가 역시 높을 수 밖에 없어 기존의 메타물질 연구는 실험실 수준을 벗어날 수 없었다. 

*전자빔 리소그래피 : 전자빔을 강한 전압을 통해 집속시켜서 나노미터 수준의 패턴을 가공할 수 있는 나노공정 기술

□ 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 나노 입자의 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. 

*감광응성 : 평소에는 액체상태로 존재하지만 빛을 받으면 딱딱한 플라스틱으로 굳는 성질을 가진 물질

○ 또한 새로운 나노성형소재의 원스텝 프린팅 기술은  기존의 전자빔리소그래피에 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 발절가능성이 더욱 기대된다. 

□ 한편 연구진은 실리콘 나노복합재와 프린팅 기술을 바탕으로 머리카락의 두께보다 100배 이상 얇은 1마이크로미터 두께의 초박막메타렌즈를 개발하고 이를 통해 실제 광학계와 결합하여 이미징에 성공함으로써 연구성과의 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 핵심원천 기술확보와 실용화 연구를 추진 중이 과기 정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한 제어 연구단)등의 지원을 받아 수행되었다.

출처: 과학기술정보통신부

사진출처: 과학기술정보통신부