머리카락 100배 얇은 초박막렌즈 개발…스마트폰 `카툭튀` 없앤다

기존 굴절렌즈와 메타렌즈의 두께 비교 사진.(자료=과학기술정보통신부 제공)

[이데일리 이후섭 기자] 국내 연구진이 기존 굴절렌즈보다 1만배 얇은 초박막렌즈 개발에 성공했다. 나노입자 복합재를 통해 머리카락보다 100배 얇은 수준의 초박막렌즈를 대량생산할 수 있게 됨으로써 스마트폰에 들어가는 카메라의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 길이 열렸다.

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

해당 기술은 크고 무거운 기존 광학소자(빛의 진폭, 위상, 주파수 등 다양한 특성을 제어할 수 있는 소자)의 한계를 극복하는 연구성과로 메타물질(자연에 존재하는 원자를 모사한 인공원자로 이뤄진 새로운 물질)의 상용화에 크게 이바지할 수 있다는 가능성을 인정받아 세계적인 학술지 `ACS Nano(IF=14.588)`에서 이날 온라인 발표됐다.

빛을 모으는 렌즈는 스마트폰, DSLR 카메라 등 최신 전자기기 및 광학기기의 핵심 부품이지만 기존 굴절렌즈는 크고 무거우며, 부피를 줄일수록 성능이 저하되는 한계가 있었다. 특히 스마트폰에 들어가는 카메라는 이미지 왜곡을 줄이기 위해 8~9개의 굴절렌즈로 이뤄진 복합 렌즈를 사용하는데, 복합 렌즈의 두께를 줄이기가 어려워 스마트폰 뒤쪽에 카메라가 튀어나오는 소위 `카툭튀` 문제가 발생한다. 또 DSLR 카메라에 사용되는 굴절렌즈의 경우 최소 500g에서 고성능 제품으로 갈수록 4㎏을 넘어서기에 얇고 가벼운 렌즈에 대한 수요가 매우 높은 상황이다.

노준석 포항공과대학교 기계공학과·화학공학과 교수(사진=과학기술정보통신부 제공)

연구진은 높은 성능을 가지면서도 부피는 작은 렌즈를 개발하기 위해 메타물질 기반의 렌즈를 연구했다. 그러나 기존 매타물질 제작에 활용하던 전자빔 리소그래피는 공정 속도가 느리고 단가가 매우 비싸기에 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 개발하는데 성공했다.

나노성형소재는 감광응성(평소에는 액체상태로 존재하지만 빛을 받으면 딱딱한 플라스틱으로 굳는 성질을 가진 물질) 레진에 나노입자를 섞어 제작했다. 이 경우 나노입자의 종류와 농도에 따라 나노성형소재의 광특성을 광범위하게 제어할 수 있기에 메타물질 제작에 주로 사용되던 기존의 소재를 대체할 수 있으며, 소재의 단가도 기존에 비해 월등히 저렴하다.

또 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 있어 착용형 기기에도 적용하는 것이 가능해 앞으로의 발전가능성이 더욱 기대된다.

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

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