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“메타렌즈는 조미료”
하마마쓰포토닉스가 주목한 3가지 우위성

메타렌즈(Metalens)는 빛의 파장보다도 더 미세한 구조를 이용해 빛의 위상을 자유롭게 제어할 수 있는 기술이다. 하마마쓰(浜松)포토닉스는 메타렌즈 자체의 제조·판매에 관여하는 것이 아닌 광검출기 등 자사 제품의 성능을 향상시키기 위한 도구로 삼고 있으며, 제품과 메타렌즈의 조합을 통한 성능 향상의 결과로 시장이 창출될 수 있을 것으로 보고 있다.

하마마쓰포토닉스는 2년 이상 전부터 본격적으로 나노포토닉스 활용을 추진해 왔다. 2023년 10월에 ‘집중 프로젝트’를 발족. 하마마쓰포토닉스 중앙연구소와 사업 부문을 연결하는 역할을 담당하며 연구소가 보유한 메타렌즈 등의 연구 결과를 실제 제품 개발에 도입하기 위한 피저빌리티 스터디(Feasibility Study, 타당성 검토) 체제를 구축하고 있다.

“메타렌즈는 기존 제품에 대해 사후에 성능을 업그레이드하기 위한 ‘조미료’처럼 사용할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다. 가려운 곳이 있지만 손이 닿지 않아 포기하고 있던 상황을 도와주는 등의 장면에서 효과를 발휘할 수 있다.”

하마마쓰포토닉스 중앙연구소의 우에노(上野) 팀리더는 메타렌즈를 비롯한 메타표면(Metasurface)의 매력을 이렇게 설명하며, 광 센서의 파장과 각 애플리케이션의 특성에 맞춘 메타표면 설계(집광 기능, 편광 분리, 광로 길이 확장 등)를 실시해 적절한 기능성을 부여할 수 있다는 점이 흥미롭다고 밝혔다.

-- 마이크로 렌즈의 성능을 뛰어넘는 것을 목표로 --
메타렌즈는 단일 파장에서는 고성능이지만, 파장 대역을 넓히면 수차(상의 왜곡)와 같은 문제가 발생한다. 그래서 하마마쓰포토닉스는 기존의 광학 렌즈를 대체하는 것이 아니라, 센서와 조합할 수 있는 틈새 영역이나 기존 렌즈가 물리적으로 들어가지 못하는 미세 영역에 특화하는 전략을 채택했다.

미세 영역에서는 기존의 대형 렌즈가 아닌 마이크로 렌즈가 경쟁 대상이다. 마이크로 렌즈의 형태는 제조 공정의 제한으로 인해 기본적으로 반구체이기 때문에 빛을 모을 수 있는 위치가 렌즈 중심을 통과하는 광축 상에 한정된다.

하마마쓰포토닉스는 마이크로 렌즈와 비교해 메타렌즈에 세 가지 우위성이 있다고 한다. 첫 번째는 빛의 진행 방식을 자유롭게 설계할 수 있기 때문에 장애물을 피해 센서의 유효 영역으로 정확하게 빛을 유도할 수 있다는 점. 두 번째는 반도체 공정과의 적합성이 높기 때문에 제조 과정에서의 정렬(얼라인먼트) 오차가 적어 정밀하게 구현할 수 있다는 점이다. 마지막으로 마이크로 렌즈는 단파장에서의 광학적 흡수가 문제될 수 있지만, 메타렌즈는 사용 가능한 재료의 폭이 넓어 손실을 최소화할 수 있다는 점이다.

하지만, 현재는 메타렌즈의 성능이 마이크로 렌즈를 뛰어넘지 못하고 있으며, 이것을 극복해야 비로소 시장이 열릴 것으로 하마마쓰포토닉스는 보고 있다.

하마마쓰포토닉스가 추진하고 있는 것 중 하나가 고감도 반도체 광검출 소자로의 활용이다. 구체적으로는, 광자 측정 장치인 MPPC(Multi Pixel Photon Counter)에 메타렌즈를 사용하고 있다. 평면에 배치된 SPAD(Single-Photon Avalanche Diode)의 픽셀 간에는 불감대(너무 가까워 측정이 불가능한 영역)가 존재해 빛이 들어오면 감도가 저하된다. 그래서 하마마쓰포토닉스는 25 x 25μm의 메타렌즈를 SPAD 상에 배치해 빛을 유효 감도 영역에 집중시켰다. 그 결과, 메타렌즈가 없는 경우와 비교해 수광 감도가 약 70% 향상되었다고 한다.

MPPC의 응용 사례로는 의료 분야의 양전자방출단층촬영(PET) 장치가 있다고 한다. 암이나 치매 등을 진단할 때 사용되는 장치이다. 장치에 사용되는 섬광체(Scintillator)에서 나오는 빛은 사방으로 퍼지기 때문에 기존 렌즈로는 집광이 어렵다. 메타렌즈를 사용하면 효율적으로 집광할 수 있어, 현재 성능 개선을 위한 연구가 진행되고 있다고 한다.

하마마쓰포토닉스는 MPPC 이외로의 응용도 추진. 성능 향상을 위해 다양한 장치에 메타렌즈를 ‘조미료’처럼 사용하고 있다. 예를 들어, LSI(대규모 집적회로)의 뒷면에서 나오는 미세한 빛을 감지해 고장 부위를 특정하는 반도체 고장 분석 장치에 메타렌즈를 사용. 개구수(NA)를 높여 보다 많은 빛을 확보함으로써 분석 정밀도 향상을 도모하고 있다.

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