^{※ 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.

^{※ 논문 제목: Roll-to-plate printable RGB-achromatic metalens for wide-field-of-view holographic near-eye displays※ 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41563-025-02121-0}

▲ 포스텍(POSTECH)에서 연구원들이 무색수차 메타렌즈를 개발하고 있다.

메타렌즈는 빛의 회절을 제어할 수 있는 나노 크기의 구조체로 구성된 평면 렌즈이다. 디스플레이·카메라 등 광학 시스템 분야에서 차세대 소자로 주목받으며 10여 년 전부터 업계에서 다양한 연구가 진행돼 왔다.

특히 기존 볼록 광학 렌즈 대비 크기와 두께를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 큰 색수차로 이미지가 심각하게 왜곡되는 기술적 한계가 있어 실제 제품 개발로 이어지는 데 어려움이 있었다.

^{※ 색수차(Chromatic Aberration): 렌즈를 통과하는 빛이 굴절될 때, 서로 다른 파장의 빛들이 굴절률이 달라 각기 다른 방향으로 휘어져 이미지의 색상이 번지는 현상}

삼성전자와 포스텍 연구팀은 최근 색수차가 없는 ‘무색수차 메타렌즈’ 개발에 성공했다. 또 홀로그래픽 디스플레이와 결합할 경우 다양한 광학 수차의 보완이 가능하다는 것도 증명했다.

^{※ 광학 수차(Optical Aberration): 광학 시스템(예: 카메라 렌즈)을 통과하는 빛이 정상적으로 굴절되지 않아 발생하는 이미지 품질 저하의 원인. 대표적인 광학 수차로는 색수차, 구면수차, 왜곡 등이 있다.}

향후 ‘무색수차 메타렌즈’와 ‘홀로그래픽 디스플레이’를 결합하면 콤팩트하면서도 높은 품질의 이미지를 제공하는 XR 웨어러블 기기 개발이 가능해지고 보다 다양한 카메라 및 센서에 활용할 수 있게 될 전망이다.

이번 프로젝트는 삼성전자 삼성리서치 문석일 박사와 포스텍 노준석 교수가 주도했으며, 포스텍 최민석, 김주훈, 신길수 연구원이 공동 1저자로 참여했다.

삼성전자는 이번 산학협력을 통해 혁신적인 아이디어 착안에서부터 실제 구현까지 검증하며 다양한 미래 광학 시스템 분야 개발과 차세대 디스플레이 기술 확보의 가능성을 확인했다.

▲ 삼성전자 삼성리서치 문석일 박사

색수차 한계 극복, 넓은 시야각의 ‘무색수차 메타렌즈’ 구현

삼성전자와 포스텍 연구팀은 기존 메타렌즈의 설계방식을 바꿔 색수차 저감 한계를 해결했다.

기존 연구는 색수차를 없애기 위해 단일 메타 구조체를 독립적으로 설계해 기판에 올려 합치는 방식을 사용했지만, 구조체 사이의 상호 관계를 고려하지 않은 탓에 색수차를 완전히 줄일 수 없었다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 모든 메타 구조체 간의 상호 관계를 설계 단계에서부터 고려한 알고리즘을 개발해 색수차를 없애는 데 성공했다.

그 결과 연구팀이 개발한 ‘무색수차 메타렌즈’는 얇은 두께를 유지하면서도 렌즈 크기를 기존보다 3~5배 키울 수 있게 돼, 넓은 시야각을 제공할 수 있게 됐다. 또 메타렌즈의 초점력을 가지면서도 이미지 품질이 더욱 향상되는 결과를 가져왔다.

▲ 포스텍(POSTECH)에서 연구원들이 무색수차 메타렌즈를 개발하고 있다.

‘홀로그래픽 디스플레이’ 결합 시 이미지 왜곡 없는 저 피로도 영상 제공

렌즈는 일반적으로 화면이 커질수록 이미지 왜곡 현상 심해지는데, 이를 해결하기 위해 여러 장의 렌즈를 결합해 보정한다.

하지만, 연구팀은 단 한 장의 무색수차 메타렌즈와 홀로그래픽 디스플레이를 결합해 색수차 외에도 다양한 광학 수차를 해결하고 이미지 왜곡 없는 넓은 시야각의 영상을 확보하는 데 성공했다.

특히 무색수차 메타렌즈와 홀로그래픽 디스플레이를 결합하면 일반 광학 렌즈와 디스플레이를 결합했을 때 보다 작고 가벼우면서도 피로도가 적은 가상 영상 제공이 가능하다는 것도 기술 검증을 통해 입증했다.

향후 무색수차 메타렌즈와 홀로그래픽 디스플레이를 결합한 장치는 XR 기기뿐만 아니라 일반 디스플레이, 카메라, 센서 등 다양한 광학 시스템의 성능 향상과 부피 저감에 활용될 전망이다.

삼성전자는 앞으로도 미래를 선도할 혁신기술 연구를 지속할 계획이다.

이 연구는 미국 레이시온 비비엔 社, 하버드대학교, 매사추세츠 공과대학교, 스페인 바르셀로나 과학기술연구소, 일본 물질재료연구기구와 공동으로 진행됐다.

연구 결과는 차세대 양자정보기술 상용화를 위한 원천 연구로 인정받아 9월 30일(영국 현지시간) 최상위 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.

□ 소재와 구조 혁신 통해 양자기술 실용화 앞당길 초고감도 마이크로파 검출기 개발

전자기파의 한 종류로 전자레인지에 사용돼 우리에게 익숙한 마이크로파는 이동통신, 레이더, 천문학 등 폭넓은 과학 기술 분야에서 활용되고 있다.

최근에는 양자컴퓨팅, 양자정보통신 등 양자정보기술에도 활용 가능하다고 알려지면서, 마이크로파를 초고감도로 검출하려는 연구가 활발히 진행중이다.

현재 마이크로파 검출기로 사용되는 볼로미터는 마이크로파 흡수 소재, 흡수한 마이크로파를 열로 바꿔주는 소재, 발생한 열을 전기 저항으로 변환하는 소재로 구성되며, 전기적인 저항의 변화를 이용해 흡수된 마이크로파의 세기를 계산한다.

그러나, 볼로미터는 실리콘이나 갈륨비소 등 반도체 소자를 마이크로파 흡수 소재로 사용하기 때문에 검출 한계가 1초간 측정 기준 1나노와트(10억분의 1와트) 수준에 머무는 등 정밀한 세기 측정이 불가능했다.

이길호 교수 연구팀은 볼로미터의 소재와 구조 혁신을 통해 이 한계를 돌파했다.

먼저 마이크로파 흡수 소재로 반도체가 아닌 그래핀을 사용해 마이크로파 흡수율을 높였다.

그리고 두 개의 초전도체 사이에 그래핀을 끼워 넣는 ‘조셉슨 접합 구조’를 도입해 그래핀에서 발생하는 전기 저항 변화를 10피코초(1,000억분의 1초)이내로 검출할 수 있게 했다.

그 결과 마이크로파 검출을 이론적 한계인 1초간 측정 기준 1아토와트(100경분의 1와트) 수준으로 높일 수 있었다.

이길호 교수는 “이번 연구는 차세대 양자소자를 실제로 구현하기 위한 기반 기술을 구축했다는 데 의미가 있다”며 “이 기술을 활용하면 양자컴퓨팅 측정효율을 극대화해 대규모 양자컴퓨터 개발도 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이길호 교수 연구팀의 이번 연구는 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 지원받고 있다.

□ 삼성미래기술육성사업, 2013년부터 1조 5천억 원 연구 지원

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

삼성미래기술육성사업은 지금까지 603개 과제에 7,729억 원을 집행했으며, 국제학술지에 총 1,255건의 논문이 게재되는 등 활발한 성과를 보이고 있다. 이 중 네이처(4건), 사이언스(5건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문도 101건에 달한다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 협력회사 상생펀드, 스마트공장, C랩 아웃사이드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 마이크로파 세기를 기존 대비 약 10억 배 향상된 민감도로 검출할 수 있는 초고감도 검출기를 개발한 포스텍 물리학과 이길호 교수 연구팀. 정우찬 석박사 통합 과정 학생, 이길호 교수(사진 왼쪽부터)

연구 결과는 16일(영국 현지시간) 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’에 발표됐다.

루틸 TiO₂는 고성능 DRAM, 3D 모노리식(monolithic) 반도체 등 차세대 디바이스용 소재로 주목받고 있는 고유전 물질이다. 유전률이 높아 작은 전압에서도 많은 양의 전하를 저장할 수 있다.

그러나 루틸 TiO₂를 합성하기 위해서는 매우 높은 온도가 필요하여 전자 디바이스 제작에 어려움이 있었다. 또한, 저온에서는 결정 내부 반복 구조상 산소가 있어야 할 자리에 산소가 없는 산소 결함이 발생하기 쉬워 우수한 성능의 디바이스를 구현할 만큼 균일한 품질을 얻기 어렵다는 문제가 있었다. 미세공정으로 이뤄지는 디바이스 산업에서는 재료의 균일도가 생산수율에 큰 영향을 미친다.

손준우 교수팀이 찾아낸 방법은 비교적 낮은 온도에서도 산소 이온을 충분히 공급할 수 있어 산소 결함이 거의 없는 균일한 품질의 루틸 TiO₂를 얻을 수 있다. 손준우 교수팀은 이를 기반으로 차세대 반도체 소자 개발에 주력할 계획이다.

손준우 교수는 “미래기술육성사업의 지원으로 산화물 이종접합 연구를 진행하던 중 이런 현상을 우연히 발견했다”며, “열 대신 계면에서의 이온 이동을 통해서도 산화물의 결정화가 가능함을 보여준 최초의 연구”라고 말했다.

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 2017년 9월부터 수행됐다.

한편, 삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년간 1조5천억원을 지원하고 있으며, 지금까지 561개 과제에 7,189억원의 연구비를 집행했다.

▲ 차세대 반도체용 소재의 새로운 합성법을 개발한 포스텍 손준우 교수 연수팀. 왼쪽부터 윤다섭, 박윤규, 손준우 교수, 조민국