한국연구재단은 포스텍 노준석 교수 연구팀이 투명 실리콘을 활용해 두꺼운 유리 렌즈를 머리카락보다 얇은 초박형 메타렌즈로 만들고 대량 생산할 수 있는 길을 열었다고 19일 밝혔다.
연구팀은 가시광 전 영역에서 낮은 광손실과 높은 굴절률을 동시에 만족하는 실리콘 기반 박막 소재를 개발, 이를 메타렌즈와 파장 분리 빔스플리터에 적용해 가시광 메타광학 성능 한계를 극복할 기반을 마련했다.
메타렌즈는 크고 무거운 기존 광학 소자를 나노 구조물로 설계해 초박형·초경량으로 만드는 차세대 광학 시스템이다.
메타광학 소자는 스마트폰을 더 얇게 만들 수 있는 카메라나 안경 형태 초경량 증강현실(AR)·가상현실(VR) 기기 핵심 부품으로 주목받고 있다.
하지만 가시광 영역에서 빛 손실이 적으면서 굴절률이 높은 소재가 드물어 고효율 메타표면을 구현하고 대량 생산하는 데 한계가 있었다. 실리콘은 굴절률이 높아 메타광학에 적합하지만, 가시광 영역에서는 빛을 많이 흡수해 활용이 어려웠다.
연구팀은 가시광 전 영역에서 투명하고 굴절률이 높은 실리콘 박막 소재 공정을 설계해 이 문제를 해결했다.
연구팀은 플라즈마 에너지를 이용해 기판 위에 박막을 입히는 플라즈마화학기상증착(PECVD) 공정을 활용해 실리콘 박막 내부 결합 구조를 정밀하게 제어했다.
PECVD 공정은 열 대신 플라즈마 에너지를 이용해 기판 위에 박막을 입히는 증착법이다.
아울러 공정 조건과 첨가 물질을 조정해 가시광 영역에서 빛 손실이 매우 적은 투명한 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)을 구현했다.
또 산소를 첨가한 실리콘 박막 산화물(a-SiOx:H)을 설계해 파장에 따라 다른 기능을 수행하는 소재도 확보했다.
연구팀이 개발한 두 가지 실리콘 박막을 실제 메타광학 소자에 적용해 검증한 결과 투명 실리콘 박막으로 만든 메타렌즈는 청색(450nm), 녹색(532nm), 적색(635nm) 등 가시광선 주요 파장대에서 각각 66.3%, 92.0%, 97.0% 변환 효율을 기록했다.
이는 에너지 손실을 최소화한 풀컬러 메타렌즈 구현이 가능함을 의미한다.
연구팀은 실리콘 박막 산화물 강한 분산 특성을 이용해 적색 빛은 특정 방향으로 보내고 청색 빛은 그대로 통과시키는 파장 분리 빔스플리터도 구현했다.
이는 입사하는 빛을 파장에 따라 나누는 광학 소자로, 메타렌즈 기술과 결합하면 더 선명한 풀컬러 이미지를 구현할 수 있다.
노 교수는 "이번 연구는 실리콘이 가시광 메타렌즈에 쓰기 어렵다는 한계를 넘어 실리콘 박막 핵심 재료 플랫폼 두 가지를 동시에 제시했다"며 "실리콘 기반 공정과 높은 호환성을 바탕으로 대면적 제조와 양산 가능성을 제시했다"고 설명했다.
한편, 이번 연구결과는 지난 14일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.
(논문명: Breaking the optical loss barrier in amorphous silicon across the full visible spectrum via dopant-controlled chemical vapor deposition / 저자 - 양영환 교수(제1저자/창원대), 임현애(포스텍), 강현정(포스텍), 성준화(포스텍), 박유진(포스텍), 강도현(포스텍), 한정우(서울대), 노준석(교신저자/포스텍))
