일본산업뉴스요약

성능이 제한된 렌즈를 저렴하게, 센싱 용도 개척 추진
JSR과 도쿄대학

JSR과 도쿄대학은 공동으로 미세 구조를 통해 렌즈 기능을 얇게 실현할 수 있는 평면 렌즈를 저렴하고 쉽게 제조할 수 있는 방법을 개발했다. 향후에는 의료용 검사 키트의 일회용 렌즈나 드론·로봇으로의 탑재 등, 새로운 용도 개척으로 이어질 가능성이 있다.

기존의 광학 렌즈는 선명하게 촬영하는 것을 중시했기 때문에 광학계가 크고 복잡해졌다. 반면, 평면 렌즈는 우선순위가 다르다. 도쿄대학 대학원 이학계 연구과의 고니시(小西) 조교수는 “일반적으로 광학 렌즈는 화질 향상이 필요하지만, 앞으로는 AI(인공지능)를 위한 데이터 수집을 목표로 하는 렌즈의 중요성이 커질 가능성이 있다. 영상이 흐릿하거나 집광 가능한 파장이 제한적이어도 활용 가능성이 높다.”라고 말한다.

JSR과 도쿄대학은 단일 파장 렌즈를 센싱 용도로 제공하는 방안을 검토하고 있다. 예를 들어, 근적외선 파장대(NIR, 850n~1,550nm)는 편광 센싱에, 단파장 적외선 파장대(SWIR, 900n~1,800nm)는 농작물의 이물질 검지 등에 활용할 수 있다. 양자점(QD) 기술의 센서를 개발하는 기업과 협력함으로써 저가의 적외선 센서 실현도 목표로 하고 있다고 한다. JSR의 하세가와 실장은 “일본 기업과 협력해 실제 제품 개발까지 기술을 향상시켜 나가고 싶다. 현재 그것을 목표로 움직이고 있다.”라고 말한다.

JSR은 투명한 감광성 소재를 사용한 렌즈도 시작(試作)했으며, 가시광 영상을 촬영할 수 있다는 것을 실증했다. 다만, 색수차에 의한 흐림이 어느 정도 발생하기 때문에 JSR은 취미용이나 일회용 제품 등, 새로운 용도로써의 수요를 개척해 나가겠다고 한다.

-- 복잡한 메타렌즈와는 구분해 사용 --
JSR과 도쿄대학이 개발한 평면 렌즈는 동심원 형태의 링을 복수 배치한 구조를 가진 ’Fresnel zone plate’(FZP)이다. 비슷한 기술로는 파장 이하의 미세한 기둥(나노필러)으로 구성된 메타렌즈가 있지만, 이것과는 다른 구조의 평면 렌즈이다.

이 두 종류의 평면 렌즈는 제조 코스트와 다기능성의 측면에서 트레이드오프 관계에 있다. 전자는 집광에 기능이 제한되어 있지만, JSR과 도쿄대학의 제안 방법을 통해 제조 코스트를 낮출 수 있다. 제조 가능한 사이즈도 다양하다. 메타렌즈는 편광을 제어할 수 있는 등 설계 자유도는 높지만, 제조 코스트가 높다.

메타렌즈의 제조 코스트를 높이는 요인은 나노필러를 형성하기 위한 제조 공정이다. 예를 들어, 근적외선 940nm의 경우, 설계에 따라 1,000nm가 넘는 높이의 기둥을 수백만 개 배치한다. 반면, Fresnel zone plate의 성능은 렌즈를 형성하는 링의 최소 선폭만으로 결정되기 때문에 웨이퍼 위의 미세 구조를 높게 형성할 필요가 없다.

일반적으로 Fresnel zone plate 제조에는 복잡한 에칭과 전자선 묘사가 필요해 제조 코스트가 상승한다. JSR과 도쿄대학이 제안한 방법에서는 유리 기판 위에 감광성 재료를 스핀코팅하고, 반도체 노광 장치로 자외선을 조사해 현상하기만 하면 된다. 낮은 코스트로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 에칭 처리로 인해 발생하는 환경 부담을 줄일 수 있다. 본래 반도체 제조용에서는 최종 제품에 거의 남아 있지 않는 감광성 재료를 사용해 제조한다는 점도 특징이다. 감광성 재료의 색상이나 Fresnel zone plate의 렌즈 디자인을 바꾸면 약 400nm~1,800nm 파장대에 대응이 가능하다.

JSR과 도쿄대학은 JSR이 개발한 특정 파장을 흡수하는 컬러 레지스트를 사용해 i선 노광으로 약 1마이크로미터(μm) 폭의 구조를 형성. 이를 통해 가시광선을 약 1.1μm 크기의 빔 직경으로 집광하고, 약 1.1 μm의 분해능을 달성했다. 낮은 코스트의 방식이지만, 기존과 같은 수준의 성능을 실현했다.

또한, 수치 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 일치한다는 것도 확인했다. 이것은 Fresnel zone plate가 이론에 기반해 설계 가능하다는 의미이다. 현 시점에서 과제는 집광 효율이 낮다는 점과 수차로 인해 영상이 흐릿해진다는 점이다. JSR과 도쿄대학은 이론에 기반해 설계를 개선하면 성능 향상도 실현할 수 있을 것으로 보고 있다.

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