1. 개요
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| 하버드 대학교 카파소 그룹(Capasso group)과 애틀랜타 대학 대형 광학 제작 및 시험 그룹(Large Optics Fabrication and Testing group)이 공동 개발한 메타렌즈의 모습 |
Metalens
재료를 나노입자가 규칙적으로 배열된 일종의 메타표면(Meta-surface)으로 가공하여 이미지의 왜곡없이 빛을 집중시키는 차세대 렌즈이다. 평면의 기판(substrate)과 그 위에 배열된 도파관(waveguide)로 구성되어 있으며, 메타렌즈를 다루는 학문은 메타광학(Meta-optics)라고 부른다.
2. 역사
1968년 러시아의 수학자 빅토르 베셀라고(Victor Veselago)는 평면렌즈라는 개념을 처음 제시하면서 음의 전기분극과 자기편극을 동시에 가진 물질은 음의 굴절율(negative refractive index)을 가질 것으로 예측했다. [1]하지만 실제로 평면렌즈가 구현된 것은 2010년대의 일로, 2012년 나노 안테나로 구성한 메타렌즈가 처음 근적외선 영역에서 가능성을 보여준 이후 메타 광학은 빠르게 발전하는 분야가 되었다.
2015년 금속이 아닌 유전체 물질이 메타렌즈에 처음 적용되고 # 뒤 이어 2016년 가시광선 스펙트럼 전 영역에서 기존 상용 렌즈보다 높은 성능을 보여준 이후 # 여러가지 잠재적 적용 분야에서 연구가 이뤄지고 있으며 근시일 내에 상용화 될 것으로 예측되고 있다.
3. 기존 렌즈와의 비교
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| 2024년 개발된 메타렌즈와 기존의 볼록 렌즈(convex lens) 사이의 두께와 무게 비교. 해당 렌즈는 기존의 렌즈에 비해 약 15배 얇고 40배 가볍다고 한다. |
기존의 렌즈는 렌즈 표면을 볼록하거나 오목하게 만들어 빛이 하나의 초점에 모이도록 빛의 각도를 조절한다. 이러한 렌즈를 굴절렌즈(refractive lens)라고 부른다.
현재 쓰이는 카메라의 경우 여러 렌즈 소자를 사용하여 왜곡이나 수차를 최소한으로 줄일 수 있게 설계되어 있다. 이렇게 선명한 이미지를 얻을 수 있지만 전체적으로 렌즈가 커지는 단점을 감수해야만 한다.
이에 반해 메타표면(metasurface)은 현재 안경 두께의 천 분의 일인 수 마이크로미터 수준의 얇은 두께만으로도 렌즈의 역할을 할 수 있으며 이를 활용한 것이 바로 메타렌즈이다. 두께나 무게에서의 비교우위 뿐 아니라 빛의 파장보다도 짧은 거리에 있는 두 물체를 구분할 수 있을 정도로 분해능이 높다는 것도 메타렌즈의 장점이다.
4. 제조방법
현재 이미 존재하는 CMOS 파운드리에서 제조가능하다는 것이 상용화에 유리하여 장점으로 지적된다.- 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) : 전자(electrons)가 집중된 빔을 쏘아 기층(substrate)에 새기는 방법. 그러나 대량 생산에 적합하지 않아 연구용도로 제조할 때만 사용한다.
- 원자외선 리소그래피(DUV lithography) : 원자외선(deep ultraviolet)을 사용해서 정교한 패턴을 광예민성 물질(photosensitive material)에 새기는 방법. 고해상도 패턴의 반도체 제조에 필수적인 제조법이다.
- 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography) : 이미 나노 구조가 새겨진 몰드(mold)를 기층에 눌러 만드는 방법. 정확성을 기하면서도 스케일 확장이 가능하고 가성비가 경제적이어서 대량생산에 적합하다.
5. 종류
5.1. 구조에 따른 분류
- 다층 유전체 메타렌즈(multilayer dialectric metalens) : 굴절률이 높은 유전체 물질과 낮은 유전체 물질을 반복해서 배열해 고기능을 구현한 메타렌즈.
- 하위헌스 메타렌즈(Huygens’ metalens) : 하위헌스 메타표면을 활용한 메타렌즈
5.2. 기능에 따른 분류
- 단색수차 보정 메타렌즈(monochromatic aberrations corrected metalens). : 단색광에 의해 생기는 단색수차를 보정하는 메타렌즈.
- 무색수차 메타렌즈(색지움 메타렌즈, achromatic metalens) : 색수차는 서로 다른 파장의 빛이 이동할 때 위상 누적으로 인해 발생하며 격자(gratics), 렌즈, 프리즘, 파장판과 같은 전형적인 광학 장치에서 관찰할 수 있다. 메타렌즈 스킴(scheme)에서는 서로 다른 동작 파장에서의 공명을 정교하게 제어함으로써 색수차를 원칙적으로 보정할 수 있다. 가령 나노 도파관 커플러(nano-waveguide coupler)를 사용하여 색수차를 제거하거나 여러 개의 메타렌즈를 하나로 만드는 방식으로 색수차를 보정할 수 있는데 이러한 메타렌즈를 무색수차 메타렌즈라고 한다.
- 서브 분해능 메타렌즈(sub-resolution metalens) : 전통적인 렌즈가 그렇듯 메타렌즈도 아베 레일리 회절 한계(Abbe-Rayleigh diffraction limit)에 제약된다. 하지만 메타렌즈의 일반적인 렌즈와는 다른 한 가지 장점이 있는데 그것은 바로 광학장(optical field)의 다차원 조작(multi-dimentional manipulation)이 가능하다는 것이다. 따라서 메타렌즈를 사용하면 형광 라벨링 없이 초진동 서브 해상도 초점 맞춤(super-oscillatory sub-resolution focusing)을 실현할 수 있으며 이런 방식으로 아베-레일리 회절 한계를 보정한 렌즈를 서브 분해능 메타렌즈라고 한다.
- 비선형 메타렌즈(nonlinear metalens)
- 인공지능 기반 메타렌즈(AI-aided metalens)
- 이중 편광 메타렌즈(dual-polarity metalens)
5.3. 광학에 따른 분류
- 회절 메타렌즈(diffractive metalens)
- 굴절 메타렌즈(refractive metalens)
- 반사 메타렌즈(reflective metalens)
5.4. 도파관의 형태에 따른 분류
- 나노필라(nano pillars)
- 나노로드(nano rods)
- 나노핀 (nanofins)
- 나노홀 (nano holes)
5.5. 도파관의 재료에 따른 분류
- 유전체 메타렌즈(dielectric metalens) : 유전체 메타표면은 저손실(low-loss)인데다 가시광선 영역에서 높은 굴절율(high refractive index)을 보여 평면 렌즈로서 실용성이 높다. 규소, 저마늄, 이산화 타이타늄 등을 주재료로 쓴다.
6. 기술 개발 동향 및 상용화
대만의 TSMC와 비스에라(VisEra)가 메타렌즈 기술 개발 분야에서 세계 최선두를 달리는 것으로 알려져 있으며 특히 메타렌즈 관련 상당한 원천기술을 확보하고 있는 비스에라는 애플과 메타렌즈 관련 파트너십 하에 2022년부터 AR ‧ VR 기기용 메타렌즈 공정을 준비 중이다. 2024년 공개된 애플 비전 프로의 경우에는 메타렌즈가 적용되지 않았으므로 그 이후에 출시되는 모델부터 메타렌즈가 적용될 것으로 추측된다. 이르면 2026년~2027년까지 메타렌즈를 광범위하게 적용한 AR 혹은 VR기기를 선보이는 것이 애플의 목표라고. #한국에서는 삼성전기와 LG이노텍 등이 메타렌즈 관련 제품을 개발 중인 것으로 알려져 있다.
[1] Veselago, V. G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. Sov. Phys. Usp. 10, 509–514 (1968)