일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.9.7

입사광을 비현실적인 방향으로 굴절
메타표면 광학 소자의 가능성

'영화 ‘해리포터’에 등장하는 ‘투명 망토’를 구현할 수 있다'. 취재 중 이러한 뉴스가 이슈가 되자 필자는 새삼 메타표면이라고 하는 차세대 기술의 가능성을 깨닫게 되었다. 이 기술은 광학기기 분야에서도 게임 체인저가 될지도 모른다.

메타표면은 음의 굴절률을 가진 자연계에 존재하지 않는 인공물질이라고 한다. 메타표면에 들어온 소리나 전파, 빛 등을 통상적으로는 있을 수 없는 방향으로 굴절시킬 수 있다는 것이다. 이러한 설명을 들어도 메타표면이 어떤 것인지 잘 이해되지 않았다는 것이 지금까지의 솔직한 느낌이다.

전파에서의 활용 사례는 들은 적이 있었다. 예를 들면, 전파가 닿기 어려운 장소의 창문에 메타표면의 필름을 붙이면, 창문으로 들어온 전파가 휘어져 어느 특정 장소의 전파 강도를 향상시킬 수 있다. 그렇다면 이것을 광학에 응용하면 어떻게 사용할 수 있을까?

-- 메타표면 광학소자를 세계 최초로 채택한 ST에 물어 보았다 --
이러한 의문에 대해 필자는 세계적인 유럽계 반도체회사인 ST 마이크로일렉트로닉스 (ST Microelectronics, 이하 ST)의 일본법인 담당자로부터 자세한 설명을 들을 기회를 얻었다.

ST는 올 6월 말, ToF(Time of Flight) 측거 센서에 미국 메탈렌즈(Metalenz)의 메타표면 광학소자를 채택했다고 발표. “민생 기기용 제품으로 이 소자가 채택된 것은 세계 최초이다”(ST)라고 한다.

“두께가 거의 없는 플랫 렌즈를 실현할 수 있다. 실리콘 표면에 나노미터(nm) 규모의 패턴을 그리면 이것이 렌즈와 같은 작용을 한다”. ST의 다카구치(高口) 이미징제품 부장은 이렇게 설명한다.

기존 센서는 상부에 여러 렌즈를 배치해 빛을 모으기 때문에 두께가 생길 수 밖에 없다. 하지만 메타표면을 사용하면, 1장의 실리폰 판을 ‘렌즈’로써 사용할 수 있는 것이다. 또한, 설계에 따라서는 여러 개의 렌즈로 구성된 광학계를 1장으로 실현할 수 있을 가능성도 있다.

이것은 즉, 향후 스마트폰이나 카메라의 렌즈를 큰 폭으로 박형화(薄型化)할 수 있는 가능성이 있다는 것이다. 그 뿐만이 아니다. 실리콘 상의 패턴을 나노 수준으로 제어함으로써 빛의 굴절을 흡수하는 투명 망토의 재현도 가능하다.

실제로 메타표면을 이용한 ‘투명 망토’의 연구 사례도 있다. 중국 난징대학 연구팀은 2018년, ‘투명 메타표면과 제로 인덱스 재료의 통합을 통한 하이브리드 투명 망토 (Ahybrid invisibility cloak based on integration of transparent metasurfaces and zero-index materials)'라는 논문을 광학계 학술지 Light:Science & Applications에 발표했다.

-- ‘음의 굴절률’로 확대될 가능성 있어 --
이러한 응용이 가능해지는 이유는 서두에서 말한 '음의 굴절률'이다. 공기를 지나는 광선이 유리에 입사하면 빛은 각도를 바꿔가며 통과한다. 예를 들어 입사각이 30도일 경우 출사광은 약 19도가 된다.

이것은 중학교에서 배우는 빛의 굴절이다. 동일한 경우 메타표면 렌즈는 출사광이 마이너스(음), 즉 -19도가 되기도 힌다. 광선이 유리에 들어가는 순간에 내부에서 반사되는 것이다.

ST가 메타표면에 대한 연구개발을 추진하는 것은 자사가 가진 반도체 제조기술 및 생산 설비를 사용해 제조할 수 있기 때문이다. 메타표면 렌즈는 1회의 식각(Etching) 공정만으로 만들 수 있으며, 반도체 제조에서  쌓아온 대량 생산 기술을 적용해 제조원가도 낮출 수 있다.

“렌즈 제조는 지금까지 높은 수준의 기술이 요구되었지만, 메타표면 렌즈는 실리콘에 그려넣기 때문에 만들기 쉽다. 정밀도를 높이면서도 코스트를 낮출 수 있다”라고 다카구치 부장은 말한다.

ST는 지금까지도 독자적으로 메타표면 기술에 대한 연구개발을 해왔으며, 이번에 이 기술의 공학 설계에 강점을 가진 메탈렌즈와의 파트너십 체결을 결정했다. 우선은 “ToF 센서계를 중심으로 활용해나갈 방침이다”(다카구치 부장)라고 한다.

-- 코스트를 낮추면서 거리·내환경성 향상 --
그렇다면 실제로 어떤 정밀도를 높일 수 있을까? ST는 iToF(indirect Time of Flight) 센서 등에 메탈렌즈가 개발하는 메타표면 렌즈의 탑재를 추진하고 있다. 이를 통해 알 수 있는 것이 검출 거리 및 내환경성의 향상이다.

메타표면 렌즈를 탑재하는 iToF 센서는 도트(점) 모양의 패턴으로 빛을 방사해 검출 거리를 늘릴 수 있다. 도트가 물체에 닿았을 때 외관상의 굴절 방식을 통해 삼각측량 원리로 거리를 계산하기 때문이다. 기존의 면 모양의 방사와 비교해 해상도는 떨어지지만, 장거리에서의 검출이 가능해진다.

또한 입사광을 제어하면 외광 노이즈를 줄여 검출 성능을 높일 수 있다. 지금까지 iToF 센서는 노이즈가 쉽게 축적되었기 때문에 내환경성이 낮아 야외에서의 이용에 적합하지 않은 것이 대부분이었다. 메타표면은 특정 방향의 빛만 통과시키는 편광렌즈로써도 사용할 수 있을 가능성이 있다.

ST는 “3D 이미징은 향후의 중요한 분야”라고 밝히며 ToF 센서에 메타표면 렌즈의 도입을 추진하고 있다. 한편, 빛을 조종할 수 있는 렌즈의 가능성은 무한대이다. 투명 망토뿐만 아니라 홀로그래피(입체영상기술)로의 활용도 가능하다.

"메타표면 기술은 게임체인저가 될 가능성이 있다." ST를 취재하는 동안 필자는 이 말을 자주 들었다. 이 꿈의 렌즈가 ST뿐만 아니라 널리 이용되어 광학의 새로운 시대를 열어갈 것이 분명하다.

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