"'카툭튀' 안녕"…삼성·포스텍, 메타렌즈 상용화 난제 해결

[이데일리 조민정 기자] 삼성전자(005930)가 포스텍(포항공대)과 진행한 ‘초소형 안구 카메라용 메타렌즈’ 연구 논문이 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 최근 게재됐다고 13일 밝혔다.

(왼쪽부터) 포스텍 노준석 교수와 강현정 연구원, 삼성리서치 윤정근 연구원.(사진=삼성전자)

삼성전자는 “혁신적인 아이디어 제시부터 실제 구현과 검증까지, 전 과정을 아우르는 체계를 통해 차세대 광학소자 개발과 다양한 디바이스 차별화 가능성을 확인했다”고 설명했다. 이번 연구는 윤정근 삼성리서치 연구원과 노준석 포스텍 교수 중심으로 이뤄졌으며, 강현정 포스텍 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

이번 성과는 확장현실(XR)디바이스의 두께와 무게를 줄이고, 스마트폰 카메라의 높이를 낮춰 일명 ‘카툭튀(스마트폰에서 카메라만 튀어나오는 현상)’ 개선 가능성을 보여줬다. 무엇보다 기존 메타렌즈 상용화를 가로막았던 한계들을 극복했다는 점에서 의미가 크다.

기존 메타렌즈 및 신규 메타렌즈 비교.(사진=삼성전자)

메타렌즈는 기존의 굴절렌즈와는 다른 방식으로 빛을 다루는 차세대 광학 기술이다. 평평한 표면에 나노미터 크기의 기둥 구조를 세워 빛이 통과하며 휘어지고 퍼지는 ‘회절’ 현상을 이용한다.

메타렌즈는 두꺼운 유리나 플라스틱 대신 얇은 기판 위에 미세 구조를 새겨 렌즈 역할을 하기 때문에 훨씬 얇고 가벼운 광학 기기를 만드는 데 유리하다. 그러나 폭이 매우 좁고 길이가 긴(종횡비 1:10 이상) 수천만 개의 나노 기둥을 세워야 하기 때문에 제작이 까다롭고 부러지기 쉬워 상용화에 큰 걸림돌이 되었다.

연구팀은 최소 속도 제어량만을 이용해 정확히 빛을 제어하는 새로운 설계 규칙을 시도했다. 기존 한 파장이 아닌 3분의 2파장의 위상 지연만으로도 빛을 효율적으로 회절시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 제시한 것이다. 이를 통해 나노 기둥의 높이를 줄이면서도 기존과 동일한 광학 성능을 유지하고, 제작 난이도와 불량률을 낮추며 안정성을 높였다. 결과적으로 수율 향상과 가격 경쟁력 확보가 가능해졌다.

연구팀은 개발한 메타렌즈를 기반으로 XR 디바이스용 적외선 초소형 안구 카메라도 구현했다. 얇은 두께로도 동공 추적과 홍채 구별이 가능함을 입증한 것이다. 메타렌즈의 적용으로 기존 굴절렌즈 기반 카메라 대비 두께를 20% 줄여(2.0㎜→1.6㎜) 무게와 부피를 모두 경감했다.

이번 연구는 빛의 회절을 제어하는 새로운 설계 원리를 제시함으로써 메타렌즈 구현에 필요한 위상 지연을 줄이고 광학 성능, 기계적 안정성, 가격 경쟁력을 모두 확보할 수 있는 가능성을 열었다.

삼성전자는 “향후 가시광 영역으로 기술을 확장해 스마트폰 카메라 모듈의 돌출을 줄이고 다양한 이미징 센서를 더 작게 만들어 디바이스 차별화의 새로운 길을 개척할 것으로 기대한다”고 밝혔다.