"두꺼운 유리 대신 실리콘"…가시광 메타렌즈 한계 넘어

보도기사

저손실·고굴절 실리콘 박막 기반 가시광 메타광학 기술 개발

최적화된 투명 실리콘과 기존 실리콘 비교

투명 실리콘을 활용해 기존 두꺼운 유리 렌즈를 대체할 수 있는 머리카락보다 얇은 초박형 메타렌즈를 구현하고, 이를 대량 생산할 수 있는 길이 열렸습니다.

한국연구재단은 포항공대 노준석 교수 연구팀이 두꺼운 유리 렌즈 대신 투명 실리콘 박막을 이용해 가시광 전 영역에서 낮은 빛 손실과 높은 굴절률을 동시에 만족하는 초박형 메타렌즈 제작 기술을 개발했다고 밝혔습니다.

메타렌즈는 나노 구조를 활용해 빛을 조절하는 차세대 초박형·초경량 광학 소자로, 스마트폰 을 더 얇게 만들 수 있는 초박형 카메라나 안경 형태의 AR·VR 기기 핵심 부품으로 주목받고 있습니다.

하지만 가시광 영역에서 빛 손실이 적으면서도 굴절률이 높은 박막 소재가 부족해 상용화에 한계가 있었습니다.

특히 실리콘은 굴절률이 높아 메타광학에 적합하지만, 가시광 영역에서 빛을 많이 흡수하는 특성 때문에 실제 활용이 어려웠습니다.

연구팀은 플라즈마를 이용한 PECVD 공정을 활용해 실리콘 박막의 내부 결함 구조를 정밀 제어함으로써 이 문제를 해결했습니다.

이를 통해 가시광 영역에서도 투명하면서 굴절률이 높은 비정질 실리콘 박막과 파장별 특성을 조절할 수 있는 실리콘 박막 산화물을 구현했습니다.

이 두가지 실리콘 박막을 실제 메타광학 소자에 적용한 결과, 가시광 메타렌즈와 파장 분리 빔스플리터에서 높은 효율과 기능성을 보였습니다.

투명한 실리콘 박막을 이용해 제작한 메타렌즈는 가시광선의 주요 파장대에서 청색(450nm) 66.3%, 녹색(532nm) 92.0%, 적색(635nm) 97.0%의 높은 변환 효율을 기록했습니다.

또 실리콘 박막 산화물의 강한 분산 특성을 활용해 적색 빛은 특정 방향으로 보내고 청색 빛은 그대로 통과시키는 파장 분리 빔스플리터를 구현해 풀컬러 실현 가능성을 입증했습니다.

노준석 교수는 "가시광 영역에서 실리콘 메타렌즈 적용이 어렵다는 기존 한계를 극복했다"며, "실리콘 기반 반도체 공정과의 높은 호환성을 바탕으로 대면적 제조와 양산 가능성을 제시했다"고 말했습니다.

초소형·고성능 광학 부품의 상용화를 앞당길 기반 기술로 평가되는 이번 성과는 국제학술지, 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 2월 14일 자에 온라인 판에 실렸습니다.

(사진=한국연구재단)

김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr