[인더스트리뉴스 한원석 기자] 삼성전자가 포항공대(포스텍)과의 산학협력으로 진행한 ‘초소형 안구 카메라용 메타렌즈’ 연구 논문이 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 최근 게재됐다고 13일 밝혔다.
이번 연구는 윤정근 삼성리서치 연구원과 노준석 포스텍 교수 중심으로 이뤄졌으며, 강현정 포스텍 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
메타렌즈(Metalens)는 기존의 굴절렌즈와는 다른 방식으로 빛을 다루는 차세대 광학 기술이다. 평평한 표면에 나노미터 크기의 기둥 구조를 세워 빛이 통과하며 휘어지고 퍼지는 ‘회절’ 현상을 이용해 얇은 기판 위에 미세 구조를 새겨 렌즈 역할을 하기 때문에 훨씬 얇고 가벼운 광학 기기를 만드는 데 유리하다.
메타렌즈가 선명한 상을 만들려면 빛의 파동 속도를 조절하는 ‘위상 지연’이 필요한데, 이를 위해 폭이 매우 좁고 길이가 긴(종횡비 1:10 이상) 수천만개의 나노 기둥을 세워야 해서 제작이 까다롭고 부러지기 쉬워 상용화에 큰 걸림돌이 됐다.
연구팀은 최소 속도 제어량만을 이용해 정확히 빛을 제어하는 새로운 설계 규칙을 시도했다. 기존 한 파장이 아닌 2/3파장의 위상 지연만으로도 빛을 효율적으로 회절시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 제시한 것이다.
이를 통해 나노 기둥의 높이를 줄이면서도 기존과 동일한 광학 성능을 유지하고, 제작 난이도와 불량률을 낮추며 안정성을 높여 수율 향상과 가격 경쟁력 확보가 가능해졌다.
윤정근 연구원은 “메타렌즈는 높은 제작 난도와 낮은 기계적 안정성으로 상용제품 적용에 어려움이 있었으나, 이를 해결하기 위해 설계, 시뮬레이션, 공정, 검증 등 각 분야의 전문가들과 협업해 새로운 나노 구조체 설계 방법을 개발했다”고 말했다.
이번 성과는 확장현실(XR) 디바이스의 두께와 무게를 줄이고, 스마트폰 카메라의 높이를 낮춰 일명 ‘카툭튀(스마트폰에서 카메라만 튀어나오는 현상)’ 개선 가능성을 보여 줬다는 점에서 의미가 크다.
실제로 연구팀은 개발한 메타렌즈를 기반으로 XR 디바이스용 적외선 초소형 안구 카메라도 구현해, 얇은 두께로도 동공 추적과 홍채 구별이 가능함을 입증했다.
이번 연구는 빛의 회절을 제어하는 새로운 설계 원리를 제시함으로써, 메타렌즈 구현에 필요한 위상 지연을 줄이고 광학 성능, 기계적 안정성, 가격 경쟁력을 모두 확보할 수 있는 가능성을 열었다고 삼성전자는 설명했다.
삼성전자 관계자는 “향후 가시광 영역으로 기술을 확장해 스마트폰 카메라 모듈의 돌출을 줄이고 다양한 이미징 센서를 더 작게 만들어 디바이스 차별화의 새로운 길을 개척할 것”이라고 기대했다.
