[노준석 교수팀, '단일층 메타렌즈 180도 초광각 시야' 구현]

 세상을 더 넓고 선명하게 담기 위한 과학자들의 도전이 또 한 걸음을 내디뎠다. 최근 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 화학공학과 통합과정 이은지 씨 연구팀은 180도에 가까운 초광각 시야를 구현하면서도 기존 카메라 시스템과 결합할 수 있는 단일층 메타렌즈를 개발했다. 이번 연구는 초소형 카메라의 핵심 부품을 한층 더 얇고 가볍게 만들 수 있는 기술로 평가되며, 광학 및 포토닉스 분야의 권위 있는 학술지 ‘Laser & Photonics Reviews’에 게재됐다.

 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 기술로 꼽힌다. 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(quadratic phase profile)’을 설계한 것이다. 이 설계 덕분에 단일층 메타렌즈로, 시야각 약 176도에 달하는 ‘반구형(hemispherical)’ 수준의 초광각 이미징을 구현할 수 있었다.

 연구팀은 전자빔 리소그래피(EBL^*1)와 증착, 리프트오프(lift-off^*2) 등 첨단 나노 공정을 통해 이 메타렌즈를 실제로 제작했다. 실험 결과, 가시광선 영역의 빨강(635nm), 초록(532nm), 파랑(450nm) 빛에서도 메타렌즈는 최대 88도의 입사각에서도 초점을 정확히 모으는 뛰어난 성능을 보였다. 즉, 일반 카메라처럼 다양한 색의 빛을 받으면서도 왜곡 없이 선명한 영상을 구현한 것이다.

 

 

 이번 연구의 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, 이번 연구는 글로벌융합연구지원사업의 지원으로 수행됐다. 

 

DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202500098

1. EBL: Electron-Beam Lithography, 전자빔을 이용해 나노 규모의 미세한 패턴을 만들어내는 공정으로, 반도체나 메타렌즈 제작에 사용된다. 빛 대신 전자를 사용하기 때문에 훨씬 정밀한 구조를 구현할 수 있다.

2. lift-off: 리소그래피로 형성된 패턴 위에 금속 등을 증착한 뒤, 불필요한 부분을 제거해 원하는 나노 구조만 남기는 공정이다. 말 그대로 ‘필요 없는 부분을 들어올려(lift-off) 떨어내는’ 방식으로 미세한 구조를 형성한다.