포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과 교수와 화학공학과 통합과정 이은지 씨 연구팀이 180도에 가까운 초광각 시야를 구현하면서도 기존 카메라 시스템과 결합할 수 있는 단일층 메타렌즈를 개발했다고 5일 밝혔다. 이번 연구는 초소형 카메라의 핵심 부품을 한층 더 얇고 가볍게 만들 수 있는 기술로 평가된다.
스마트폰, 드론, 자율주행차 등에서 더 작고 가벼운 카메라를 구현하려는 경쟁이 치열하다. 특히 한 번에 더 넓은 장면을 담을 수 있는 '초광각 렌즈'는 상업용 이미징 시스템의 핵심 기술이다. 하지만 기존 렌즈는 여러 유리나 플라스틱 렌즈를 겹겹이 쌓아야 해 부피가 크고 무게가 무거우며, 색이 번지거나 초점이 흐려지는 문제도 있었다.
이런 한계를 극복하기 위해 과학자들은 수십만 개의 미세한 나노 구조로 빛을 정밀하게 조절하는 '메타렌즈'에 주목해 왔다. 여러 개를 쌓는 대신, 단 하나의 메타렌즈 안에 빛의 흐름을 정교하게 제어할 수 있는 '이차 위상 프로파일'을 설계한 것이다. 이 설계 덕분에 단일층 메타렌즈로, 시야각 약 176도에 달하는 '반구형' 수준의 초광각 이미징을 구현할 수 있었다.
연구팀은 전자빔 리소그래피(EBL)와 증착, 리프트오프(lift-off) 등 첨단 나노 공정을 통해 이 메타렌즈를 실제로 제작했다. 실험 결과, 가시광선 영역의 빨강(635㎚), 초록(532㎚), 파랑(450㎚) 빛에서도 메타렌즈는 최대 88도의 입사각에서도 초점을 정확히 모으는 뛰어난 성능을 보였다. 일반 카메라처럼 다양한 색의 빛을 받으면서도 왜곡 없이 선명한 영상을 구현한 것이다.
또 다른 성과는 이 메타렌즈가 기존 카메라에 쓰이는 컬러 필터와 호환된다는 점이다. 이는 상용화의 문턱을 크게 낮추는 결과로, 스마트폰이나 드론 등 기존 제품에 손쉽게 적용할 수 있음을 의미한다.
노준석 교수는 “이번 연구는 복잡한 광학계를 단순화하면서도 고성능을 유지하는 새로운 방향을 제시한 것”이라며 “향후 웨어러블 카메라, 자율주행차의 광학 센서, 그리고 초소형 의료 내시경 등 다양한 분야로 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 글로벌융합연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 광학 및 포토닉스 분야의 권위 있는 학술지 '레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser & Photonics Reviews)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
