스마트폰을 신용카드 두께로...초정밀 금속렌즈 개발

[글로벌이코노믹 이재구 기자] 기존의 스마트폰 두께를 신용카드만큼 얇게 만들어 줄 수 있는 초고효율 금속렌즈가 개발됐다.

미하버드대는 최근 수백만 개의 이산화티타늄 작은 기둥을 코팅한 얇은 투명수정 층 렌즈를 만드는데 성공했다고 발표했다.
이 렌즈는 유리조각 위에 초미세 이산화티타늄 기둥을 코팅해 만들었다. 이번에 만들어진 렌즈는 가로가 2mm이며 사람의 머리카락보다 가늘다.

이 렌즈는 나노미터급 사물을 기존 현미경렌즈보다 더 또렷하게 볼 수 있도록 해 준다.

페데리코 카파소 하버드대 교수팀은 이 메탈렌즈가 기존의 두꺼운 광학부품을 얇게 만들어 주며, 궁극적으로는 스마트폰카메라나 콘택트렌즈를 현미경으로 바꿔줄 것이라고 설명했다. 그는 이 메탈렌즈가 기존의 최고수준 현미경렌즈보다 30%나 더 초점을 잘 맞줄 정도로 정밀하다고 밝혔다.

메탈렌즈는 미세파장(subwavelength) 거리에서 분리된 나노급 이미지 특징을 분해해 낸다. 또한 이미지를 170배 배율로 확대해 보여준다. 이때 이미지품질은 첨단 상용 현미경 수준이다.

카파소교수는 사이언스지에서 “우리의 결과는 메탈렌즈가 레이저기반의 현미경,사진촬영,분광학 등에 사용할 경우 광범위한 응용범위를 갖는다는 것을 확실하게 보여준다”고 말했다.

이 렌즈는 기존 카메라 및 망원경용 곡면 유리디스크와 달리 수백만개의 작은 기둥으로 된 얇은 투명수정 층으로 돼 있다. 각각의 기둥은 가로가 수십나노미터로 수백배의 높이를 가지고 있다. 이 기둥은 각각 빛과 강력하게 상호작용을 한다. 빛이 이 초박형 나노부품을 통과하면서 빛의 빔은 얇게 잘려졌다가 재 결합될 때 다시 이미지 형태를 갖추는 원리다.
연구원들은 전통적인 렌즈의 초점효과를 재현해 내기 위한 정확한 패턴을 알아내기 위해 컴퓨터로 계산을 했다. 페데리코 카파소 하버드대교수는 “내 생각에는 이 기술은 시장을 확 바꿀(game-changing) 것 같다”고 말했다. 그는 이 메탈렌즈의 이점을 기존 유리렌즈의 단점인 구면 수차(球面收差)가 없는 것이라고 말했다. 구면수차는 렌즈 면의 만곡도가 크거나 빛이 축에 대해 큰 경사도를 가져오면서 이미지 선명도를 떨어뜨리게 된다.

하지만 이 기술은 또다른 의미에서 혁명적이 될 수 있을 것이라고 말했다.

카파소교수는 “기존 방식의 렌즈는 몰딩에 의존한다. 그리고 결정적으로 19세기 기술로 거슬로 올라간다. 하지만 우리가 만든 렌즈는 평면형이기 때문에 컴퓨터칩을 만드는 것과 똑같은 생산시설에서 만들 수 있다. 따라서 집적회로(IC)를 만드는 반도체공장들에서 우리가 개발한 금속 렌즈를 만들 수 있게 된다. 왜냐하면 이 새로운 부품을 만들 비용을 감당하는 유일한 방법은 양산이기 때문이다”라고 설명했다.

연구팀은 이 부품을 스마트폰용 카메라로 적용하고 싶어한다.

카파소교수는 “대부분의 기술부품들이 칩 기술로 설계되고 있다. 따라서 렌즈를 여기에 포함시키는 것은 자연스럽다”고 말했다.

카파소는 이 메탈렌즈 시제품이 2mm에 불과한 이유에 대해 대학에 제조장비가 없었기 때문이다. 부품은 어떤 크기로도 확대할 수 있다고 말했다.

이 렌즈의 특징은 기둥의 설계도와 구성에 의존한다는 것이다.

이 금속렌즈의 소재인 이산화티타늄으로 만들어진 기둥은 투명하며 가시광선과 강력하게 상호작용하며 비용효율적이다.

이재구 기자 jklee@