국내 연구진이 기존 평면 광학의 한계를 넘는 설계 방법을 개발했다. 스파트폰에서 카메라만 돌출되는 ‘카툭튀’ 등을 해결할 것으로 기대되고 있다.

포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수와 김석우·김주훈·김경태·정민수 기계공학과 석박사통합과정생 연구팀이 평면 광학 기술의 한계를 극복할 새로운 설계 방법을 발표했다고 3일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6일(현지시간 ) 게재됐다.

이 연구는 기존 메타표면 기술에서 사용되던 샘플링 이론의 한계를 규명하고, 성능을 크게 향상시킬 수 있는 다차원 샘플링 이론을 제시했다. 평면 광학 기술은 얇은 평면에 나노·마이크로 수준의 구조체를 패터닝해 빛을 자유롭게 제어할 수 있는 기술이다.

기존 광학 기술은 부피가 크고 무거운 렌즈나 거울을 사용해 빛의 경로를 조절해 스마트폰 카메라나 돌출 (‘카툭튀’ 현상)이나 증강현실(AR)/가상현실(VR) 기기를 소형화하는 데 제약이 있었다. 평면 광학 기술은 활용하면 수백 나노미터 두께로도 빛을 제어할 수 있어 초소형 기능성 광학 디바이스 구현이 가능하다.

메타표면은 수억 개의 나노(nm, 10억분의 1m) 구조체를 배열해 통해 렌즈부터 홀로그램까지 다양한 기능을 수행하는 2차원(2D) 평면 광학 소자다.메타표면에서 빛의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 샘플링 과정에서 발생하는 왜곡 현상이 메타표면 효율과 정밀도 저하의 원인으로 지목됐다.

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 것이 샘플링이다. 동영상을 시청할 때 인간의 뇌는 빠르게 여러 장의 장면을 인식해 정보를 인식한다. 샘프링이 너무 느리면 실제로는 앞으로 회전하고 있지만, 샘플링 속도 (프레임 속도)가 회전 속도를 충분히 따라가지 못하면 느리게 회전하거나 멈춰 있는 것처럼 보인다. 이는 에일리어싱(aliasing) 신호 왜곡 현상이다. 샘플링 과정에서 발생하는 에일리어싱 왜곡 현상이 메타표면 효율과 정밀도를 저하시키는 원인이 된다.

연구팀은 에일리어싱을 방지하는 기존 이론인 ‘나이퀴스트 샘플링 이론(Nyquist Sampling Theorem)’이 평면 광학 기술에 적합하지 않다는 사실을 이번 연구를 통해 발견했다.

나이퀴스트 이론은 샘플링 주파수에 따라 구현 가능한 주파수 한계를 정의하지만 메타표면에서 발생하는 빛의 왜곡 현상을 정확히 예측하거나 이를 방지하기 위한 조건을 계산하는데 한계가 있었다.

연구팀은 메타표면의 2차원 구조 형태와 빛이라는 파동의 특수성을 반영한 새로운 샘플링 이론을 개발했다. 이 이론을 통해 메타표면의 격자 구조와 스펙트럼 형상의 기하학적 관계가 메타표면의 광학 성능에 중요한 영향을 미친다는 사실을 규명했다. 메타표면의 2차원 격자를 회전시키거나 회절 소자를 결합하는 방식을 통해 노이즈를 줄이고 빛의 제어 성능을 극대했다.

연구팀은 개발한 기술은 가시광선부터 자외선 영역까지의 광범위한 파장에 대해 메타표면에서 발생하는 노이즈를 감소시켰다. 자외선 대역에서 작동하는 고 개구수 메타렌즈와 광시야각 메타홀로그램을 성공적으로 구현했다.

노준석 포스텍 교수는 “마이크로파(Microwave) 대역에서부터 극자외선(Extreme Ultraviolet, EUV) 대역에 이르는 광범위한 파장 대역에 적용가능한 범용적 설계 지침을 제시해 메타표면 기술의 새로운 가능성을 열었다”며 “파장이 짧은 자외선 대역에서 이번 연구에서 밝힌 이론을 이용하면 공정 조건을 매우 완화 할 수 있다”고 말했다.