"투명 실리콘으로 '메타렌즈' 구현·대량생산"

투명 실리콘으로 초박형 메타렌즈를 구현해 대량생산 할 수 있는 가능성이 열렸다. 메타렌즈는 크고 무거운 기존 광학 소자를 나노구조물로 설계해 초박형·초경량 렌즈를 제작할 수 있는 차세대 광학 시스템으로 주목 받는다.

한국연구재단은 포항공대 노준석 교수 연구팀이 가시광 전체 영역에서 낮은 광 손실과 높은 굴절률을 동시에 만족하는 실리콘 기반의 박막 소재를 구현, 메타렌즈와 파장 분리 빔스플리터에 적용해 가시광 메타광학의 한계를 극복할 기반을 제시했다고 20일 밝혔다.

포항공대 노준석 교수. 한국연구재단

파장 분리 빔시플리터는 입사된 빛을 파장(색)에 따라 나누는 전통적 방식의 광학소자다. 최근에는 메타렌즈 기술과 결합해 보다 선명한 풀 컬러 이미지를 구현하는 방식이 연구되고 있다.

특히 메타광학 소자는 스마트폰 두께를 줄일 초박형 카메라와 안경 형태의 초경량 증강·가상현실(AR/VR) 글래스 등의 핵심 부품으로 주목받는다.

하지만 가시광에서 빛 손실이 적으면서 굴절률이 높은 박막 소재가 드물어 고효율 메타표현 구현과 대량 생산에는 한계가 따랐다. 예컨대 실리콘은 굴절률이 높아 메타광학에 적합하지만, 가시광 영역에서는 빛을 많이 흡수해 활용하는 것이 어려운 문제가 있었다.

이에 연구팀은 가시광 전체 영역에서 투명하고 굴절률이 높은 실리콘 기반의 박막 소재 공정을 설계함으로써 기존 문제를 해결했다. 재료 설계에서 플라즈마 에너지를 이용하는 PECVD 공정을 활용해 실리콘 박막의 내부 결합 구조를 정밀하게 제어한 결과다.

PECVD는 열 대신 플라즈마 에너지를 이용해 기판 위에 박막을 입히는 증착 공정이다. 이번 연구에서는 메타렌즈의 나노 구조체를 만들 때 실리콘 기판 위에 실리콘 박막층을 쌓는 데 활용됐다.

공정 조건과 첨가 물질을 조정해 가시광 영역에서도 빛 손실이 적은 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)을 구현한 동시에 산소를 첨가한 실리콘 박막 산화물(a-SiOx:H)을 설계해 파장에 따라 서로 다른 기능을 수행할 소재를 확보한 것이 주효했다.

이러한 과정을 거쳐 개발한 두 가지 실리콘 박막을 실제 메타광학 소자에 적용해 성능을 검증했을 때는 가시광 메타렌즈 및 파장 분리 빔스플리터에서 높은 효율과 기능성이 입증됐다.

투명한 실리콘 박막을 이용해 제작한 메타렌즈는 가시광선의 주요 파장대(450/532/635㎚, 청색/녹색/적색)에서 각각 66.3%, 92.0%, 97.0%의 높은 변환 효율을 달성해 에너지 손실을 최소화한 풀컬러 메타렌즈 구현이 가능하다는 것을 증명한 것이다.

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 빔스플리터를 구현했다.

노 교수는 "이번 연구는 실리콘이 가시광 메타렌즈에 쓰이기 어렵다는 한계를 극복해 실리콘 박막의 두 가지 핵심 재료 플랫폼을 동시에 제시함으로써 실리콘 기반 공정과의 높은 호환성으로 대면적 제조와 양산 가능성을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원사업으로 수행됐다. 연구 성과(논문)는 최근 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr