카메라 렌즈는 빛을 모아 상을 만들어 피사체를 재현한다. 그 과정에서 상이 뒤틀리는 수차가 생긴다. 여러 개의 볼록렌즈와 오목렌즈가 간격을 두고 빛을 투과해야 수차를 없앨 수 있다. 카메라 렌즈가 일정 두께를 유지하는 이유다.

최근 휴대폰의 두께는 얇아졌지만 고배율 등 카메라의 성능이 좋아지면서 카메라 렌즈의 돌출이 불가피해졌다. 만약 수 센치미터(㎝)의 렌즈 두께를 마이크로미터(㎛) 수준으로 줄인다면 명함 한 장 두께의 카메라 렌즈도 구현할 수 있다.

과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리 연구단(연구단장 이영희) 김튼튼 연구위원(영사이언티스트펠로, YSF)은 KAIST 기계공학과 민범기 교수 연구진, 영국 버밍엄대학 장슈앙(Shuang Zhang) 교수 연구진과의 공동연구로 메타표면¹⁾과 그래핀²⁾을 접합한 그래핀 메타렌즈를 제작했다. 기존 렌즈의 1000분의 1 수준인 25 마이크로미터 두께지만 빛의 위상을 조작해 배율을 조절하는 획기적인 방법이다.

그래핀 메타렌즈는 U형 금박 광학안테나(이하 광학안테나)가 촘촘하게 배열된 메타표면으로 제작됐다. 광학안테나가 빛의 위상을 제어해 좌편광(우편광)된 빛을 우편광(좌편광)으로 전환시킨다. 광학안테나의 배열을 바꾸면 빛을 원하는 방향으로 굴절시키거나, 한 곳으로 모을 수 있다. 빛의 위상을 개별적으로 조작해 렌즈의 두께와는 무관하게 배율 조정도 가능하다.

연구진이 이번에 구현한 그래핀 메타렌즈는 테라파³⁾의 주파수를 이용하도록 제작됐다. 만약 광학안테나의 크기를 줄인다면 가시광선⁴⁾주파수에 적합하도록 제작할 수 있다. 이를 이용하면 카메라 렌즈의 크기가 혁신적으로 줄어든다.

연구진은 전압을 조절해 그래핀 메타렌즈를 투과해 모인 빛의 세기를 제어하는 데에도 성공했다. 빛의 세기를 조절하는 조리개⁵⁾역할을 하는 것은 0.2㎚의 얇은 그래핀이다. 평상시에는 투명하지만 흐르는 전압의 크기가 커질수록 불투명해지는 특성을 이용했다.

김튼튼 연구위원은 “상용 테라파 렌즈의 두께가 수 센치미터인 반면, 25 마이크로미터 두께의 그래핀 메타렌즈를 실제로 구현했다. 그래핀과 결합시켜 비교적 간단한 전압조절로 집속된 빛의 세기를 효과적으로 제어할 수 있음을 보여 초소형 광학기기에 응용이 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구성과는 광학분야 전문학술지 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)'에 11월 20일 온라인 게재되었다.

대외협력실 김한섭

그림설명

▲ [그림 1] (a) (좌)U형 금박 광학안테나(a=76㎛, b=51㎛, w=19㎛), (우)연구진이 개발한 그래핀 메타표면의 구조도. 이온겔, 그래핀, 광학안테나가 들어간 메타표면, 고분자 폴리이미드 기판으로 구성
(b) 입사 된 원형편광 입사광이 서로 다른 기하학적 위상 차이로 인해 좌편광 입사광이 우편광 투과광으로 바뀌었다. 광학안테나 방향을 바꿔 선형의 위상 차이를 갖는 메타표면을 설계하면 빛의 굴절 방향을 조절 할 수 있다.

▲ [그림 2] (a) (좌)선형의 위상차이 분포를 갖도록 광학안테나를 회전시킨 메타표면에 그래핀을 결합한 모식도, (우)전압의 크기에 따라 광전도도가 조절되어 굴절된 빛의 세기가 능동적으로 제어됨.
(b) (좌)포물선의 위상차이를 갖는 메타표면을 그래핀과 결합한 모식도, (우)집속된 빛의 세기가 그래핀에 걸리는 전압의 크기에 따라 효과적으로 조절됨을 확인.

▲ [그림 3] 상용 테라파 렌즈와 연구진이 제작한 그래핀 메타렌즈. 상용화된 테라파 렌즈의 두께가 수 센티미터인 반면 그래핀 메타렌즈의 두께는 약 1000배 얇은 수십 마이크로미터 이내로 구현 할 수 있다.