과기부 국내연구진 기존 굴절렌즈보다 10,000배 얇은 초박막렌즈 개발 성공 > 명의명사칼럼

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.

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

메타물질: 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공원자로 이루어진 새로운 물질

논문명: Printable Nanocomposite Metalens for High-Contrast Near-Infrared Imaging

저자정보: 노준석(교신저자), 이헌(공동교신저자), 윤관호(제1저자), 김관(공동제1저자), 김세움, 한승훈 총 6명

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.

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.

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.

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.김판용기자