투명 실리콘을 활용해 두꺼운 유리 렌즈를 머리카락보다 얇은 초박형 메타렌즈로 구현하고 대량 생산할 수 있는 길이 열렸다.
한국연구재단은 노준석 포스텍(POSTECH) 교수 연구팀이 가시광 전 영역에서 낮은 광손실과 높은 굴절률을 동시에 만족하는 실리콘 기반 박막 소재를 구현, 이를 메타렌즈와 파장 분리 빔스플리터에 적용해 가시광 메타광학의 성능 한계를 극복할 수 있는 기반을 제시했다고 19일 밝혔다.
메타광학 소자는 스마트폰을 더 얇게 만들 수 있는 초박형 카메라나 안경 형태의 초경량 증강·가상현실 글라스 등 핵심 부품으로 주목받고 있다. 다만 가시광에서 빛 손실이 적으면서 굴절율이 높은 박막 소재가 드물어 고효율 메타 표현 구현과 대량 생산 한계가 있다.
실리콘의 경우 굴절률이 높아 메타광학에 적합하지만, 가시광 영역에서는 빛을 많이 흡수해 활용이 어렵다는 문제가 있었다.
연구팀은 가시광 전 영역에서 투명하고 굴절률이 높은 실리콘 기반 박막 소재 공정을 설계함으로써 이 문제를 해결했다.
재료 설계에서 플라즈마 에너지를 이용하는 PECVD 공정(열 대신 플라즈마 에너지를 이용해 기판 위 박막을 입히는 증착 공정)을 활용해 실리콘 박막 내부 결합 구조를 정밀하게 제어했다.
공정 조건과 첨가 물질을 조정해 가시광 영역에서도 빛 손실이 매우 적은 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)을 구현하고, 동시에 산소를 첨가한 실리콘 박막 산화물(a-SiOx:H)까지 설계해 파장에 따라 서로 다른 기능을 수행할 수 있는 소재를 확보했다.
개발된 두 가지 실리콘 박막을 실제 메타광학 소자에 적용해 성능을 검증한 결과 가시광 메타렌즈 및 파장 분리 빔스플리터에서 높은 효율과 기능성을 입증했다.
투명한 실리콘 박막을 이용해 제작한 메타렌즈는 가시광선 주요 파장대(450/532/635㎚, 청색/녹색/적색)에서 각각 66.3%, 92.0%, 97.0%의 높은 변환 효율을 달성, 에너지 손실을 최소화한 풀 컬러 메타렌즈 구현이 가능함을 보여줬다.
또 실리콘 박막 산화물의 강한 분산 특성을 활용해 적색 빛(635㎚)은 특정 방향으로 보내고, 청색 빛(450㎚)은 그대로 통과시키는 성능을 가진 메타소자 파장 분리 빔스플리터도 구현했다.
연구팀은 실리콘 기반 공정 호환성을 바탕으로 대면적 제조 및 양산 공정으로의 확장 가능성이 높다고 설명했다. 이에 따라 향후 확장현실(XR) 평면 광학, 초박형 카메라 광학계, 가시광 집적 포토닉스, 바이오 광학 센서 등 다양한 응용 분야에서 고성능·고집적 광학 시스템 구현을 가속화할 것으로 기대를 모은다.
노준석 교수는 “실리콘이 가시광 메타렌즈에 쓰기 어렵다는 한계를 넘어 실리콘 박막의 두 가지 핵심 재료 플랫폼을 동시에 제시함으로써 실리콘 기반 공정과의 높은 호환성을 바탕으로 대면적 제조와 양산 가능성을 제시했다”고 말했다.
한편 이번 연구 성과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 지난 14일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
