^{※ 논문 제목: Compact eye camera with two-third wavelength phase-delay metalens※ 논문 링크: Nature Communications}

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

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

▲ (왼쪽부터) 포스텍 노준석 교수와 강현정 연구원, 삼성리서치 윤정근 연구원

세계 최초 ‘2/3 파장 위상 지연’ 메타렌즈 구현

메타렌즈(Metalens)는 기존의 굴절렌즈와는 다른 방식으로 빛을 다루는 차세대 광학 기술이다. 굴절렌즈는 곡면 소재에서 빛을 꺾는 ‘굴절’ 현상을 이용해 초점을 맞추는 반면, 메타렌즈는 평평한 표면에 나노미터 크기의 기둥 구조를 세워 빛이 통과하며 휘어지고 퍼지는 ‘회절’ 현상을 이용한다. 두꺼운 유리나 플라스틱 대신 얇은 기판 위에 미세 구조를 새겨 렌즈 역할을 하기 때문에 훨씬 얇고 가벼운 광학 기기를 만드는 데 유리하다.

메타렌즈가 선명한 상을 만들려면 빛의 파동 속도를 조절하는 ‘위상 지연’이 필요하다. 서로 다른 경로를 지난 빛줄기가 정확히 한 점에서 맞물려야 또렷한 상을 얻을 수 있기 때문이다. 기존 방식은 빛줄기가 위치에 따라서 ‘한 파장(빛이 한 번 진동하는 길이)’만큼 늦춰지도록 설계해 위상을 맞췄다. 이를 위해 폭이 매우 좁고 길이가 긴(종횡비 1:10 이상) 수천만 개의 나노 기둥을 세워야 하는데, 제작이 까다롭고 부러지기 쉬워 상용화에 큰 걸림돌이 되었다.

^{※ 종횡비(aspect ratio): 나노 구조체의 폭 대비 길이 비율※ 위상 지연: 단일 주파수의 파동이 다른 점으로 전파되면서 도착 타이밍이 늦어지는 현상}

▲ 기존 메타렌즈 및 신규 메타렌즈 비교

“메타렌즈는 높은 제작 난도와 낮은 기계적 안정성으로 상용제품 적용에 어려움이 있었으나,
이를 해결하기 위해 설계, 시뮬레이션, 공정, 검증 등 각 분야의 전문가들과 협업해
새로운 나노 구조체 설계 방법을 개발했습니다.”
– 삼성리서치 윤정근 연구원

연구팀은 최소 속도 제어량만을 이용해 정확히 빛을 제어하는 새로운 설계 규칙을 시도했다. 기존 한 파장이 아닌 2/3파장의 위상 지연만으로도 빛을 효율적으로 회절시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 제시한 것이다. 슈퍼셀(supercell)을 구성하는 나노 구조체가 2/3 파장의 위상 지연 상태에서도 위상 기울기를 일정하게 유지하면, 원거리장(far-field)에서 파면이 안정적으로 유지되는 성질을 활용했다.

이 방식은 위상 지연이 나노 구조체의 폭과 길이에 비례한다는 점을 이용해 종횡비를 1:5 수준으로 낮출 수 있게 했다. 이를 통해 나노 기둥의 높이를 줄이면서도 기존과 동일한 광학 성능을 유지하고, 제작 난이도와 불량률을 낮추며 안정성을 높였다. 결과적으로 수율 향상과 가격 경쟁력 확보가 가능해졌다.

^{※ 슈퍼셀(supercell): 나노 구조체의 배열을 통해 회절을 만들어내는 최소 단위 구조}

▲ 종횡비의 차이로 나노 구조체 높이를 낮춘 메타렌즈

한 장의 메타렌즈로 구현한 초소형 카메라

연구팀은 개발한 메타렌즈를 기반으로 XR 디바이스용 적외선 초소형 안구 카메라도 구현했다. 얇은 두께로도 동공 추적과 홍채 구별이 가능함을 입증한 것.

메타렌즈의 적용으로 기존 굴절렌즈 기반 카메라 대비 두께를 20% 줄여 (2.0mm→1.6mm) 무게와 부피를 모두 경감했다. 또한 120도의 넓은 시야각에서 사용자의 시선 추적과 홍채 인증을 위한 특징점 구별 성능을 확보했으며, MTF 성능 역시 50%에서 72%로 향상됐다. 

^{※ MTF 성능: 렌즈가 피사체의 선명도를 얼마나 잘 재현하는지를 나타내는 지표}

메타렌즈 상용화의 문을 열다

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.

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

삼성전자는 앞으로도 미래를 선도해 나갈 혁신기술 확보를 위해 산학협력 등 다양한 연구를 지속할 계획이다.

이번 연구는 기존 로보틱스 분야에 주로 활용했던 인공근육 구동기의 활용도를 소형 웨어러블 분야까지 확장한 성과를 인정받았다. 구동기는 압력을 가해 물체를 움직이게 하거나, 인공근육의 압력을 측정할 수 있는 시스템이다.

‘삼성전자·아주대 공동 연구팀'(이하 ‘연구팀’)에는 ▲삼성전자 신봉수 연구원 ▲아주대학교 고제성 교수가 이끄는 연구팀의 김동진, 김백겸 연구원이 공동 1저자로 참여했다.

연구팀은 형상기억합금 기반의 다기능 인공근육 구동기를 개발하고, 이를 AR 안경(안경형 증강현실 기기)과 촉각 전달 장갑(햅틱 글러브) 등 웨어러블 기기에 적용해 인공근육 구동기의 진일보된 기술과 실사용 가능성을 입증했다.

가상 환경 분야에선 몰입감을 높이기 위한 구동기와 센서 연구가 진행되고 있다. AR·VR 웨어러블 기기에 적용되는 구동기와 센서는 착용 편의성을 위해 작고 가벼우면서도, 복잡한 시각·촉각 기능을 구현해야 한다.

연구팀은 기존 전자기 모터 기반 구동기의 한계를 해결하기 위해 형상기억합금 기반의 인공근육과 유연 소자가 결합된 초경량(0.22 g)·초박형(5 mm 이하)의 다기능 구동기를 설계하고, 웨어러블 기기에서 실제 효과를 입증했다.

AR 안경에 적용한 결과, 연구팀은 사용자가 느끼는 시각 피로도 저감 효과를 확인했다. 해당 구동기가 물체의 초점 거리에 따라 디스플레이와 AR 안경 광학계 사이의 거리를 직접 조절함으로써 시각 피로를 유발하는 수렴조절 불일치 현상을 완화했다.
※ 수렴조절: 사람의 두 눈이 물체의 거리를 판단하고 상의 초점을 맺기 위해 수정체 두께를 조절(Accommodation)하고 수렴(Vergence) 정도를 조절하는 것

또 촉각 전달 장갑에 적용한 결과, 연구팀은 실제 손으로 누르는 것과 유사한 촉각을 제공할 수 있음을 확인했다. 해당 구동기는 별도의 센서 없이도 압력을 측정할 수 있는 장점을 갖고 있어, 이를 적용한 촉각 전달 장갑은 매우 얇으면서도 점자 등의 인지가 가능하다. 인지된 점자를 전기 신호로 변환해 전송하면 향후 텔레햅틱(telehaptics) 기술에도 활용될 수 있다.
※ 텔레햅틱: 촉각을 원격으로 재현하는 기술

이번 공동 연구는 차세대 실감 인터랙션을 위한 핵심 하드웨어 기술의 가능성을 보여줬다. 삼성전자는 앞으로도 산학협력 등을 통해 혁신기술 연구를 지속할 계획이다.

▲ 삼성전자와 아주대학교가 공동 개발한 초경량·초박형 인공근육 구동기에 관한 연구 논문이 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. 사진은 연구에 참여한 삼성전자 신봉수 연구원.

▲ 삼성전자와 아주대학교가 공동 개발한 초경량·초박형 인공근육 구동기에 관한 연구 논문이 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. 사진 왼쪽부터 아주대 연구팀의 김백겸, 김동진 연구원과 아주대 팀을 이끄는 고제성 교수.

□ 반도체에서 발생하는 발열 문제 해결에 적용할 수 있는 기술

포스텍 신소재공학과 손준우 교수, 최시영 교수 연구팀은 반도체 미세화에 따라 점차 중요성이 커지고 있는 열 문제 해결을 위한 차세대 소재 기술을 개발했다.

연구팀은 2017년 7월 삼성미래기술육성사업 연구과제로 선정돼 3년간 지원을 받았다.

또, 이 연구는 한국연구재단 기초연구실의 지원도 받았다.

연구 결과는 고집적 반도체용으로 사용할 수 있는 새로운 소재를 개발한 성과로 인정받아 최근(8월 18일 영국 현지시간) 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재됐다.
– 논문 제목(영문) : Heterogeneous integration of single-crystalline rutile nanomembranes with steep phase transition on silicon substrates)
– 논문 제목(한글) : 급격한 상전이 특성이 있는 단결정 루틸 구조의 실리콘 상 이종 접합)

반도체 분야의 기술 혁신은 미세화를 통한 트랜지스터 회로의 집적도를 높이는 방향으로 진행돼 왔다.

반도체는 집적도가 커질수록 소비하는 전력은 줄어들고 동작 속도는 빨라지나, 반도체 소자가 동작하면서 발생하는 열에 의한 오작동 등 새로운 문제가 발생할 가능성이 커지고 있다.

문제 해결 방법은 트랜지스터의 구동 전압을 낮추고, 기존의 실리콘을 대체하는 신규 소재를 개발하거나 실리콘과 신규 소재를 접합하는 것으로, 학계와 업계는 이 문제 해결에 많은 노력을 기울여 왔다.

대표적인 신규 소재로는 특정한 전압에 다다르면 물질의 상(相∙Phase)이 절연체에서 금속으로 빠르게 바뀌는 상전이(相轉移) 산화물 반도체가 주목 받고 있다.

연구팀은 상전이 산화물 반도체의 일종인 단결정 산화바나듐(금속 바나듐과 산소가 결합해서 만들어진 화합물)이 기존 실리콘 대비 전류를 흘릴 때 필요한 전압이 낮아 발열이 덜 되는 성질에 주목해, 단결정 산화바나듐을 실리콘 웨이퍼 위에 적층할 수 있는 기술을 개발했다.

하지만 단결정 산화바나듐은 실리콘과 결정 구조가 달라 웨이퍼에 직접 적층 성장할 경우 전기적인 결함이 발생할 수 있었다.

이에 연구팀은 실리콘 웨이퍼 위에 결정 구조가 같은 산화티타늄을 우선 적층한 후, 그 위에서 산화바나듐을 단결정 상태로 성장시키는데 성공했다.

연구팀은 이번에 개발한 소재를 실제 반도체 소자 제작에 활용하기 위해 산화물 반도체와 전극 사이의 저항 감소, 소자 크기에 따른 전기적 특성 제어 등 관련 기술에 대해 연구하고 있다.

손준우 교수는 “이번 연구를 통해 차세대 소재로 주목받고 있는 단결정 상전이 산화물의 우수한 특성을 기존 실리콘 반도체 소재에 적용할 수 있게 됐다”며 “초저전력 초고밀도 메모리 등 기존 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 소자 개발을 위해 노력하겠다”고 말했다.

□ 삼성미래기술육성사업, 2013년부터 1조 5천억 원 연구 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고, 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래 기술분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

특히 연구자들이 도전적인 연구를 할 수 있도록 목표를 달성하지 못하더라도 책임을 묻지 않고, 실패 원인을 지식 자산으로 활용하도록 하고 있다.

연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

삼성미래기술육성사업은 지금까지 682개 과제에 8,865억원을 지원했다. 또, 국제학술지에 총 2,130건의 논문이 게재되는 등 활발한 성과를 보이고 있다.

이 중 네이처(7건), 사이언스(7건), 셀(1건) 등 최상위 국제 학술지에 소개된 논문도 189건에 달한다.

□ 삼성전자 ‘함께가요 미래로! Enabling People’

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’이라는 CSR 비전 아래 청소년 교육 중심의 사회공헌 활동과 상생 활동을 펼치고 있다.

청소년 교육 중심 활동으로는 ▲삼성청년SW아카데미 ▲삼성 드림클래스 ▲삼성 주니어 SW 아카데미 ▲삼성 스마트스쿨과 같이 청소년의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 하는 프로그램을 운영하고 있다.

또, ▲삼성미래기술육성사업 ▲스마트공장 ▲C랩 아웃사이드 등의 상생 프로그램을 통해 삼성전자가 쌓아온 기술과 혁신의 노하우를 우리 사회와 같이 나누고 있다.

▲ ‘네이처 커뮤니케이션스’에 연구 성과가 게재된 포스텍 연구팀(뒷줄 왼쪽부터 손준우교수, 최시영교수 앞줄 왼쪽부터 이동규학생, 박윤규박사, 심혜지학생)