스마트폰 '카툭튀' 없앤다...포스텍·삼성, 세계서 가장 얇은 ‘0.001㎜ 두께’ 렌즈 개발

조선비즈
  • 김윤수 기자
    입력 2021.01.01 20:00

    노준석 포스텍 교수·한승훈 삼성 종기원 마스터 공동연구
    머리카락의 100분의 1, 기존 유리 렌즈의 1만분의 1 두께
    아직은 적외선만… "이르면 3년 후 카메라·센서 상용화"
    가시광선 렌즈 후속 연구로 스마트폰 ‘카툭튀’ 해결 기대

    기존 유리 렌즈(왼쪽)와 연구팀이 개발한 메타렌즈(오른쪽) 두께 비교./과기정통부 제공
    포스텍(POSTECH)과 삼성전자(005930)가 세계에서 가장 얇은 0.001㎜ 두께의 카메라용 렌즈를 개발했다. 기존 렌즈 두께의 1만분의 1 수준이다. 삼성 스마트폰에 들어가는 카메라의 크기를 줄여 ‘카툭튀’ 디자인(후면 카메라가 툭 튀어나온 디자인)을 없애는 기술로 활용될 전망이다.

    과학기술정보통신부는 노준석 포스텍 기계공학과·화학공학과 교수와 한승훈 삼성전자 종합기술원 이미징 디바이스랩 마스터 공동 연구팀이 세계 최초로 ‘메타물질’을 이용해 적외선 초박막 ‘메타렌즈’와 이것의 대량생산 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

    연구성과는 미국화학회지(ACS)가 발간하는 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 이날 게재됐다. 공동 연구팀은 본 기술을 이르면 3년 후 적외선 카메라용 렌즈로 상용화하고, 이후 스마트폰 카메라에도 적용하겠다는 계획이다.

    빛을 모아 선명한 이미지를 얻기 위해서는 빛의 진행 방향을 꺾어 한점으로 모아주는 볼록렌즈가 필요하다. 유리로 만들어지는 기존 볼록렌즈는 최소 1㎝의 두께를 가져야 빛을 효과적으로 모을 수 있다. 고성능 DSLR 카메라의 렌즈 무게가 4kg을 넘어서고, 스마트폰 카메라도 두께 압축에 기술적인 한계가 있는 이유다.

    메타렌즈의 표면을 전자현미경으로 관찰한 모습(왼쪽)과 연구팀이 만든 지름 4㎜의 시험용 렌즈./과기정통부 제공
    연구팀은 유리가 아닌 메타물질의 한 종류를 이용했다. 메타물질은 자연에 존재하지 않고 원하는 기능에 따라 구조를 설계해 만든 인공 물질을 말한다. 제작 비용이 높아 그간 활용이 제한됐지만, 연구팀은 메타물질에 특수한 나노입자를 섞어 원하는 패턴대로 얇게 인쇄할 수 있는 ‘원스텝 프린팅 기술’을 개발해 비용을 낮췄다.

    메타렌즈는 표면에 50나노미터(nm·10억분의 1미터) 크기의 나노입자들이 규칙적으로 배열된 평평한 렌즈다. 실제로 볼록하진 않지만 나노입자들이 빛을 굴절시켜 볼록렌즈처럼 빛을 한점에 모으는 기능을 한다.

    연구팀이 지름 4㎜짜리 시험용 렌즈를 실제 적외선 카메라에 장착한 결과, 사람 피부 속 혈관 분포를 촬영하는 등 기존 적외선 카메라의 기능을 똑같이 해냈다.

    메타렌즈를 적외선 카메라에 장착해 촬영한 결과. 사람 피부 속 혈관 분포를 자세히 촬영해냈다./과기정통부 제공
    다만 아직 상용화를 위해서는 추가 연구를 통한 보완도 필요하다. 지름 4㎜의 렌즈를 만드는 데만 수십만원이 들었을 만큼 여전히 유리 렌즈에 비해 단가가 비싸고 강도도 약한 상태이기 때문이다. 연구팀은 생산공정을 개선하고 코팅 기술을 접목해 이 문제들을 해결해나가겠다는 계획이다.

    노 교수는 "상용화 시점은 3~5년 후로 보고 있다"며 "크고 무거운 렌즈를 대체해 적외선 내시경, 야간투시경, 폐쇄회로(CC)TV, 라이다(LIDAR) 센서 등에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

    메타렌즈는 아직 가시광선이 아닌 적외선을 모으는 데만 쓸 수 있다. 가시광선용 렌즈도 이미 개발했지만, 가시광선을 구성하는 빨강·주황·노랑·초록·파랑·남색·보라색 빛들이 굴절률(렌즈 통과 시 진행방향이 꺾이는 정도)이 모두 달라 렌즈를 통과하면 서로 분리되는 문제가 남아있다. 연구팀은 이 문제를 해결해 일반적인 가시광선 카메라와 센서에도 본 기술을 적용하겠다는 계획이다.

    가시광선이 프리즘(삼각형) 렌즈를 통과하면 굴절률이 서로 다른 여러 색의 빛들이 분리된다./위키
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