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훨씬 작아도 한 성능한다! 메타렌즈

메타 렌즈(Meta-lens)는 무엇일까?

옛 속담에는 “작은 고추가 맵다”라는 속담이 있다. 보이는 것이 다가 아니라는 뜻이다. 메타 렌즈를 표현하기에 정말 적절한 속담이라는 생각이 든다. 정말 작디 작은 렌즈가 자신의 크기에 50만 배에 달하는 훨씬 더 큰 카메라 수준의 이미지를 포착할 수 있는 능력을 가지고 있다. 미국 프린스턴 대학교 교수 연구진은 “폭 0.5mm의 초소형 렌즈로 일반 카메라와 대등한 수준의 선명한 컬러 이미지를 얻는 데 성공했다”고 발표했다. 메타 렌즈는 굴곡이 없는 평면 렌즈이지만 빛을 작은 한 지점에 정확하게 모아 준다.


신기한 메타 렌즈의 원리
스마트폰 카메라 사진
많은 굴절 렌즈를 사용하는 카메라

현재 카메라 성능이 좋은 대부분의 스마트폰을 보면 알 수 있듯이 카메라 부분이 튀어 나와 있는 것을 볼 수 있다. 빛은 렌즈를 통과하게 되면 왜곡되는 경향이 있기 때문에 이러한 왜곡을 보정해서 좋은 사진을 찍기 위해서는 다양한 두께를 가지고 있는 곡면 렌즈 여러 개를 사용해야 한다. 여러 곡면 렌즈를 사용하다 보니 스마트폰의 카메라가 스마트폰에 비해서 더 튀어나오는 현상도 발생하게 된다. 그러나 메타 렌즈는 이 문제를 해결할 수 있다.

메타렌즈와 메타렌즈의 표면
메타 렌즈의 미세 기둥

연구진은 메타 표면(metasurface) 기술을 사용해서 제작한 메타 렌즈를 통해서 렌즈를 하나만 사용해서 영상의 왜곡을 없애버렸다. 메타 표면은 유리 표면에다 현미경 정도로 볼 수 있는 실리콘 기둥들을 세운 것으로, 메타 표면은 입사된 빛의 방향을 틀어주어 빛이 특정 지점을 향할 수 있게 한다. 연구진이 개발한 0.5mm의 렌즈에는 미세 기둥이 160만개가 돋아 있다. 메타 렌즈의 미세 기둥들의 재료로는 이산화티타늄이 있다. 이산화티타늄은 반사율이 매우 높아 안료로도 사용이 되는 소재이다.

기존 초소형 렌즈로 찍은 사진(왼쪽), 메타 렌즈로 찍은 사진(오른쪽)

메타렌즈의 미세 기둥들은 빛은 감지할 수 있는 일종의 안테나 역할을 한다고 연구진은 설명한다. 메타 렌즈의 미세 기둥들은 빛과 반응을 하는데, 인공지능이 각각의 기둥의 빛과 반응한 형태를 해독하여 영상으로 재현하는 방식을 사용한다. 또한 연구진은 기둥 모양과 배치를 최적화하여 기존에 있었던 메타 렌즈에 비해 훨씬 선명한 이미지를 만들어냈다고 발표했다.


메타 렌즈의 여러 장점

메타 렌즈는 정말 다양한 장점이 있다. 먼저 가장 큰 장점의 경우에는 메타 렌즈의 크기가 작다는 것이다. 앞서 말했듯이 스마트폰의 카메라 부분이 다른 부분들에 비해서 튀어나오는 문제 등을 해결할 수 있고, 크기가 작기 때문에 기존에 사용하지 못했던 기기나 분야에서도 활용이 가능해진다.

다른 메타 렌즈의 장점은 빛의 파장보다 짧은 거리에 있는 두 물체를 구분할 수 있는 정도로 분해능이 좋다는 것이다. 즉, 400nm 크기까지 작은 물체를 선명하게 볼 수 있다. 다시 말해서 성능이 매우 좋기 때문에 고도의 성능을 필요하는 분야에 활용성이 가능하다.

메타 렌즈는 대량 생산에도 적합할 것으로 보인다. 메타 렌즈의 특징으로는 사용된 질화규소를 반도체로 컴퓨터 칩을 제조할 수 있는 기계에도 처리를 할 수 있다는 점이다. 그러하나 이러한 공정이 이미 산업적으로 널리 사용이 되고 있기 때문에 많은 연구자들은 메타 렌즈의 빠르고 저렴한 생산을 통한 기술의 발전을 기대하고 있는 것으로 보인다.

또한 메타 렌즈의 경우 빛을 조작하여 알고리즘을 활용한다. 머신 러닝을 통해서 알고리즘을 개발하게 되면 더 나은 결과를 유추해 낼 수 있다. 즉, 알고리즘이 나노 구조를 보완할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.


메타 렌즈의 응용 분야

메타 렌즈는 정말 좋은 장점을 갖고 있다. 그렇기에 메타 렌즈는 정말 다양한 응용 분야에 적용이 될 수 있다. 가장 먼저 앞선 글에서도 많이 언급하고 있는 스마트폰 카메라가 다른 스마트폰 부분에 비해서 더 많이 나와있는 문제를 해결해낼 수 있다. 또한, 적외선 내시경과 같이 소형 렌즈가 있으면 더욱 효과적으로 발전이 가능한 기기에서도 응용이 가능할 것이라고 연구자들은 말한다.

또한 렌즈의 성능이 중요한 CCTV같은 카메라를 사용하는 기기와 야간 투시경 같은 분야에도 메타 렌즈의 응용을 통해서 획기적으로 발전할 수 있다. 현미경 등과 같은 기기나 가상현실 기기와 같이 고성능의 렌즈를 요구하는 분야에도 활용 가능성이 무궁무진할 것으로 연구진들은 예측한다.


메타 렌즈의 미래

메타 렌즈는 정말 무궁무진한 가능성을 가지고 있는 기술이라고 생각된다. 전문가 중 한명은 “현재 대량 생산되고 있는 메모리칩과 같이 메타 렌즈도 비교적 저렴한 비용으로 대량으로 생산할 수 있게 될 것이다.”라고 말했다. 이미 우리 실생활에 렌즈는 정말 깊숙하게 들어와 있다. 휴대폰 카메라, CCTV, 의료 기기, 과학 기기 등 정말 수많은 분야에서 렌즈는 사용되고 있을 정도로 중요하다고 볼 수 있다. 그러한 분야인 렌즈, 광학 분야에 대해서 메타 렌즈는 어쩌면 정말 혁신적인 기술일지도 모른다. 그렇기에 우리는 메타 렌즈에 지속적인 관심을 가지고 메타 렌즈가 우리의 삶을 어떻게 바꾸어 나갈지 관심을 가져보는 것도 좋을 것 같다.

 

김보겸 학생기자 | Physics & Earth Science | 지식하기


참고자료

[1] https://www.chosun.com/economy/science/2021/12/01/XFOOIPJPI5GXRLCSAZUXVF55Z4/ [2] https://biz.chosun.com/it-science/ict/2021/07/11/JXX7PMY4QBERPBN4J5GPJZICYQ/ [3] https://www.gereports.kr/reconfigurable-metalens/ [4] https://www.dongascience.com/news.php?idx=12434

[5] https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/976927.html

첨부 이미지 출처

[1] https://biz.chosun.com/it-science/ict/2021/07/11/JXX7PMY4QBERPBN4J5GPJZICYQ/ [2] https://biz.chosun.com/it-science/ict/2021/07/11/JXX7PMY4QBERPBN4J5GPJZICYQ/ [3] https://www.chosun.com/economy/science/2021/12/01/XFOOIPJPI5GXRLCSAZUXVF55Z4/ [4] https://www.gereports.kr/reconfigurable-metalens/

[5] https://www.chosun.com/economy/science/2021/12/01/XFOOIPJPI5GXRLCSAZUXVF55Z4/

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