머리카락 1만분의 1 굵기 렌즈 '투명 방탄복' 입었다

연구팀이 개발한 메타렌즈의 자가청소 기능. 먼지(dust)가 자가청소에 의해 깨끗(cleaned)해졌다. 포스텍 제공.

매우 얇은 렌즈를 보호할 수 있는 기술이 개발됐다. 스마트폰 카메라, 자율주행차 센서 등에 쓰일 수 있는 차세대 렌즈의 실용화 가능성이 높아졌다. 

포스텍은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수 연구팀이 외부 충격과 오염에 취약한 ‘메타렌즈’를 보호하는 '방탄복'을 만들고 연구결과를 국제학술지 ‘마이크로시스템 및 나노공학’에 지난 10일 게재했다고 19일 밝혔다. 

차세대 광학 플랫폼인 메타렌즈는 기존 렌즈와 전혀 다른 방식으로 빛을 조절한다. 볼록하거나 오목한 곡면으로 빛을 조절하는 기존 렌즈와 달리 메타렌즈는 머리카락 굵기 1만분의 1 수준인 아주 작은 구조물로 빛을 제어한다. 

나노미터(nm) 크기의 정교한 메타렌즈 구조는 작은 충격이나 먼지에 쉽게 손상돼 제품화하기엔 내구성이 떨어진다는 단점이 있다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 메타렌즈를 투명한 보호막으로 감싸는 기술을 개발했다. 

연구팀은 '수소화 비정질 실리콘'으로 메타렌즈의 미세 구조를 만든 뒤 그 위에 '스핀온글래스'라는 투명 물질을 코팅해 얇은 보호막을 만들었다. 메타렌즈를 보호하면서 빛 통과는 방해하지 않는 보호막이다. 

연구팀은 플라즈마 가공 기술로 메타렌즈의 굴절률을 3.23까지 높였다. 눈에 보이는 빛(635nm 파장대)의 97.2%를 손실 없이 원하는 방향으로 보낼 수 있을 정도의 굴절률이다. 보호막이 렌즈를 감싸고 있어도 빛을 거의 완벽하게 조절할 수 있다는 의미다. 

연구팀이 개발한 보호막은 메타렌즈의 내구성도 향상시켰다. 모래에 메타렌즈를 넣고 초음파로 두 시간 동안 세척하는 극한 테스트에서 보호막이 없는 기존 렌즈는 대부분 손상된 반면 보호막을 입힌 렌즈는 성능에 전혀 문제가 없었다. 

연구팀은 보호막에 연꽃잎처럼 물방울을 튕겨내는 특성도 부여했다. 물방울이 굴러 떨어질 때 먼지도 함께 씻기는 자가세정 기능을 구현한 것이다. 

노 교수는 “개발한 메타렌즈 기술은 카메라나 센서 같은 광학 장치들을 더 작고 똑똑하게 만들 수 있는 기반 기술이 될 것”이라며 “메타렌즈뿐 아니라 홀로그램 소자, 광센서, 컬러 픽셀 등 다양한 광학 부품에 적용 가능하다”고 말했다. 

<참고 자료>
doi.org/10.1038/s41378-025-00925-3

[문세영 기자 moon09@donga.com]