툭 튀어나온 스마트폰 카메라…초박막렌즈로 해결한다

노준석 포스텍 교수·이헌 고려대 교수·한승훈 삼성전자 박사팀 개발

기존 렌즈 두께의 1만분의 1 불과

두껍고 무거운 기존 렌즈 대체가능

적외선 내시경·CCTV 등에도 응용

기존 굴절렌즈(왼쪽)와 새로 개발한 메타렌즈.

스마트폰 카메라가 튀어나와 있는 현상을 고칠 수 있는 길이 열렸다. 국내 연구진이 두께가 기존 적외선 굴절렌즈의 1만분의 1밖에 안 되는 초박막렌즈를 개발했기 때문이다. 이 렌즈는 앞으로 적외선 내시경, CCTV, 야간투시경 등에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

노준석 포항공대 기계공학과·화학공학과 교수팀과 이헌 고려대 신소재공학부 교수팀, 한승훈 삼성전자 종합기술원 이미징 디바이스랩 마스터팀은 기존 굴절렌즈의 성능을 유지하면서 두께는 머리카락의 100분의 1 정도인 적외선 초박막 메타렌즈와 이를 대량생산하는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 이 기술에 관한 논문은 미국 화학회(ACS)의 나노분야 학술지 ‘ACS 나노’에 게재됐다.

빛을 모으는 굴절렌즈 8~9개로 구성된 복합렌즈를 쓰는 스마트폰 카메라의 경우 복합렌즈 두께를 줄이기 어려워 후면 카메라가 툭 튀어나오는 문제가 있다. DSLR 카메라는 굴절렌즈 무게가 최소 500ｇ에서 4㎏을 넘어 무겁다.

연구팀은 높은 성능을 가지면서 부피는 작은 렌즈를 개발하기 위해 메타물질 기반 렌즈를 연구했다. 메타물질은 기존 물질에 없는 음굴절과 초고굴절 등 다양한 광특성을 자유롭게 제어할 수 있다. 이를 활용해 초박막 평면렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토 같은 새로운 광학기기를 구현하기 위한 연구가 활발하다. 하지만 기존 메타물질 가공에는 공정 속도가 느리고 단가가 비싼 전자빔 리소그래피가 사용돼 제작된 메타물질의 가격이 매우 비싼 단점이 있다.

나노복합재 기반 나노프린팅 공정 모식도(위)와 실리콘 나노복합재 메타렌즈. 메타렌즈의 전자현미경 사진(아래 왼쪽)과 1인치 렌즈튜브에 결합된 4㎜ 메타렌즈(아래 오른쪽)

연구팀은 메타물질 구현에 적합한 광특성을 가지면서 성형이 자유로운 나노복합재 기반의 새로운 나노성형소재를 만들고, 이를 한 번의 공정으로 성형할 수 있는 원스텝 프린팅 기술을 개발했다. 나노성형소재는 빛을 받으면 딱딱하게 굳는 감광응성 수지에 굴절 특성이 우수한 실리콘 나노입자를 섞어 제작했다. 이 나노성형소재는 나노입자 종류와 농도에 따라 광특성을 광범위하게 제어할 수 있어 기존 메타물질 소재를 대체할 수 있고 소재 단가도 월등히 저렴하다.

원스텝 프린팅 기술은 기존 전자빔 리소그래피보다 100배 이상 빠른 속도로 메타물질을 제작할 수 있고, 곡면기판과 유연기판 상에도 메타물질을 구현할 수 있어 착용형 기기에도 적용할 수 있다.

노준석 교수는 “이 실리콘 나노복합재와 프린팅 기술을 이용해 머리카락의 100분의 1 이하인 1㎛(마이크로미터) 두께의 초박막 메타렌즈를 제작했다”며 “이를 광학계와 결합, 이미징 실험을 통해 기존 굴절렌즈 대체가 가능함을 확인하고 실제 응용 가능성도 검증했다”고 설명했다. /고광본 선임기자 [e-mail]