스마트 폰과 자율 주행 차 리다 (레이저 기반 센서)에 사용되는 카메라의 크기와 무게를 획기적으로 줄일 수있는 원천 기술이 등장했습니다.
기존 굴절 렌즈의 두께 (왼쪽)와 연구팀이 개발 한 초박형 금속 렌즈의 두께 (오른쪽) 비교.
과학 기술 정보 통신부는 1 일 포스텍 기계 공학과 노준석 교수, 한승훈 삼성 전자 첨단 기술원 영상 기기 연구실 석사, 교수 등 공동 연구팀이 1 일 밝혔다. 고려 대학교 신소재 공학과 이헌이 ‘플랫 초박형 렌즈’개발에 성공했다. 인공 재료 인 메타 물질과 나노 프린팅 기술을 이용하여 적외선 카메라에 사용되는 렌즈의 두께를 1 만분의 1로 줄일 수있는 신기술입니다. 메타 머티리얼이란 천연 소재의 배열과 구조를 인위적으로 변화시켜 빛이나 음파를 반사하거나 굴절시키는 신소재를 말합니다. 물리학의 자연 법칙과는 완전히 다른 방향으로 빛이나 파장을 변화시키기 때문에 ‘보이지 않는 인간’을 만드는 보이지 않는 망토, 불가능한 스텔스 장치 등 공상 과학 영화에 등장 할 가능성이있는 것들에 적용 할 수 있습니다. 레이더 및 고해상도 홀로그램에 포착되어 전 세계 연구 경쟁을 벌이고 있습니다. 치열한 분야입니다.
노 교수는“드론, 무인 차 등 자율 주행 기술이 발전함에 따라 라이다 용 초박형 렌즈에 대한 수요가 증가하고 있지만 크기와 무게를 줄이는 데 근본적인 한계가있다”고 말했다. “이 새로운 기술은 2025 년까지 50 억 달러로 성장할 것입니다. 이것은 예상되는 메타 렌즈 시장을 선점하는 디딤돌이 될 것입니다.”
일반 렌즈 두께의 ‘1 만분의 1’… 카 톡투 풀고 성능 잡기
‘혁신적인 신소재’라는 메타 소재 … 나노 프린팅을 통한 굴절 렌즈 제작
세계 경제 포럼 (WEF)은 2019 년 ‘세계 경제에 큰 영향을 미칠 10 대 유망 기술’중 하나로 ‘소형 기기 용 소형 렌즈 기술’을 선정했다. 스마트 폰, 자율 주행 차, 드론이 널리 보급되어 있으며 수요도 폭발적으로 증가 할 것으로 예상됩니다. 포스텍 · 삼성 종합 기술원 · 고려대가 공동 개발 한 ‘초박형 메타 렌즈 원천 기술’은 경쟁사보다 한 단계 앞선 마이크로 렌즈 상용화 발판을 마련했다는 점에서 큰 의미를 지닌 것으로 평가된다. .
이 기술은 메타 소재를 이용한 소형 디바이스 용 소형 렌즈 (메타 렌즈)를 제조하는 기술입니다. 메타 물질은 비금속과 고분자를 결합하여 만든 인공 물질을 총칭합니다. 물리학의 자연 법칙으로는 설명 할 수없는 신소재입니다. 일반적으로 실리콘, 질화 갈륨 (GaN), 산화 티타늄 등의 내부 구조를 수정하여 만들어 지지만 빛이나 음파를 굴절 및 반사하는 특성은 완전히 다릅니다. 스마트 폰 외에도 자율 주행 차, 군용 및 의료용 카메라, AR (증강 현실), VR (가상 현실) 안경에 적용되는 기술에 대한 활발한 연구가 진행되고 있습니다.
굴절 렌즈는 스마트 폰 및 디지털 일안 반사 (DSLR) 카메라와 같은 전자 및 광학 장치의 핵심 구성 요소입니다. 이러한 제품에 사용되는 렌즈는 이미지 왜곡을 줄이기 위해 8 ~ 9 개의 굴절 렌즈로 구성된 합성 렌즈 (일명 광학 시스템)를 사용합니다. 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 줌 (확대 및 축소 용) 렌즈를 혼합하여 생산됩니다.
그러나 렌즈 수가 증가하면 부피와 무게가 증가합니다. 반대로 볼륨을 줄이면 카메라 성능이 저하됩니다. 그렇기 때문에 일부 스마트 폰 브랜드는 카메라 부분이 튀어 나와서 불리한 디자인을 선택했습니다. DSLR 카메라에 사용되는 렌즈의 무게는 고성능 그룹에서 4kg에 가깝습니다. 이것이 소위“카 툭투 ”(카메라가 튀어 나옴)를 방지하기 위해 얇고 가벼운 렌즈에 대한 수요가 증가하는 이유입니다.
연구팀은 고성능 컴팩트 렌즈를 개발하기 위해 메타 물질을 연구하고 있습니다. 이전에는 메타 물질을 제조 할 때 ‘전자빔 리소그래피’가 주로 사용되었습니다. 전자빔 리소그래피 (Electron beam lithography)는 강한 전압으로 전자빔을 쏘아 기판 위의 물질에 나노 패턴을 조각하여 새로운 물질을 만드는 방법입니다. 이론적으로는 반도체 제조시 사용되는 공정 인 자외선 리소그래피보다 미세한 패턴을 조각 할 수 있으며 공정 자유도가 높습니다. 그러나 느린 속도로 인해 비용이 증가하는 단점이 있습니다. 수년간의 반복 실험 끝에 연구팀은 열경화성 수지에 50nm (나노 미터) 크기의 실리콘 나노 입자를 분산시켜 새로운 메타 물질을 개발했습니다. 이 신소재의 광학적 특성을 측정 한 결과 적외선 영역 (940nm)에서 높은 굴절률 (2.2)을 보였다. ‘고굴절 메타 물질’생산에 적합한 소재가 만들어 졌다는 뜻입니다. 또한 별도의 식각과 증착없이 한번 인쇄하여 메타 물질을 생산하는 새로운 방법을 확보했다.
연구팀은 새로운 재료를 나노 프린팅 공정에 적용하여 직경 4mm, 두께 1μm (마이크로 미터) 이하의 메타 렌즈를 제작했습니다. 적외선 카메라에서 약 1cm 두께의 굴절 렌즈보다 1 만 분의 1 이상 얇습니다. “이 금속 렌즈와 적외선 이미지 센서를 결합하여 카메라를 만들고 사람의 손을 촬영했을 때 피부의 혈관 분포가 명확하게 보입니다.”라고 연구원들은 설명했습니다.
이 연구를 주도한 노준 석은 글로벌 메타 물질 전문가로 꼽힌다. 서울 대학교 기계 항공 공학과를 졸업하고 박사 과정을 마친 후 2014 년부터 미국 로렌스 버클리 연구소와 아르곤 연구소에서 근무한 후 POSTECH에서 근무하고 있습니다.
이해성 기자 [email protected]