소중한 내 스마트폰 렌즈, 드디어 얇아질까

2017년 11월 28일 10:30

상용 테라파 렌즈와 연구진이 제작한 그래핀 메타렌즈. 상용화된 테라파 렌즈의 두께가 수 센티미터인 반면 그래핀 메타렌즈의 두께는 약 1000배 얇은 수십 마이크로미터 이내로 구현 할 수 있다. - 기초과학연구원(IBS) 제공
상용 테라파 렌즈와 연구진이 제작한 그래핀 메타렌즈. 상용화된 테라파 렌즈의 두께가 수 센티미터인 반면 그래핀 메타렌즈의 두께는 약 1000배 얇은 수십 마이크로미터 이내로 구현 할 수 있다. - 기초과학연구원(IBS) 제공

 

 

얇아진 스마트폰에서 거슬리게 튀어 나와 있던 카메라를 앞으로는 보지 않아도 될까. 기존 렌즈보다 두께가 1000분의 1 수준으로 얇으면서 확대 및 축소가 자유롭고, 밝기까지 자체 조절할 수 있는 새로운 개념의 렌즈가 개발됐다.


김튼튼 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 연구위원과 민범기 KAIST 기계공학과 교수팀은 두께가 사람의 머리카락과 비슷한 0.025mm에 불과한 얇은 렌즈를 개발해 그 결과를 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스’ 11월 20일자에 발표했다.


김 연구위원팀은 매우 얇고 평평한 탄소 재료인 ‘그래핀’과, 물질 표면에 미세한 무늬를 새겨서 이를 통해 빛의 반사나 휘어짐을 조절하는 ‘메타 표면’ 기술을 동시에 응용했다. 그래핀은 얇고 잘 휘는 판 모양의 물질인데, 전기가 잘 통하는 성질이 있다.


연구팀은 이온 겔과 고분자 기판 등으로 구성된 얇은 막 사이에 금박으로 만든 U자 모양의 안테나를 촘촘히 배열했다. 거울에 작은 반짝이 돌기를 잔뜩 붙인 것처럼, 빛이 이 위를 지나갈 때 휘어지게 만들기 위해서다. 연구팀은 이 렌즈에 보안 장비나 의료 장비에서 내부를 탐색할 때 쓰는 고주파 전파인 테라파를 발사해, 원하는 대로 휘어지는 정도를 조절하는 데 성공했다. 만약 U자 모양의 금박 안테나의 크기를 조절하면 카메라에 쓰이는 가시광선도 조절할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

 

 

(a) 왼쪽은 U형 금박 광학안테나(a=76㎛, b=51㎛, w=19㎛), 오른쪽은 연구팀이 개발한 그래핀 메타표면의 구조도. 이온겔, 그래핀, 광학안테나가 들어간 메타표면, 고분자 폴리이미드 기판으로 구성돼 있다. (b) 입사 된 원형편광 입사광이 서로 다른 기하학적 위상 차이에 의해 좌편광 입사광이 우편광 투과광으로 바뀌었다. 광학안테나 방향을 바꿔 선형의 위상 차이를 갖는 메타표면을 설계하면 빛의 굴절 방향을 조절할 수 있다. - 기초과학연구원(IBS) 제공
(a) 왼쪽은 U형 금박 광학안테나(a=76㎛, b=51㎛, w=19㎛), 오른쪽은 연구팀이 개발한 그래핀 메타표면의 구조도. 이온겔, 그래핀, 광학안테나가 들어간 메타표면, 고분자 폴리이미드 기판으로 구성돼 있다. (b) 입사 된 원형편광 입사광이 서로 다른 기하학적 위상 차이에 의해 좌편광 입사광이 우편광 투과광으로 바뀌었다. 광학안테나 방향을 바꿔 선형의 위상 차이를 갖는 메타표면을 설계하면 빛의 굴절 방향을 조절할 수 있다. - 기초과학연구원(IBS) 제공


연구팀은 또 전기가 잘 통하는 그래핀의 성질을 이용해, 사용하는 전압을 바꿈으로써 렌즈를 통과한 빛의 세기를 조절하는 데에도 성공했다. 원래는 투명한 그래핀은 전기가 통하면 불투명해지는데, 이를 이용해 통과하는 빛의 양을 조절했다. 이는 카메라에서 조리개를 열고 닫아 빛의 양을 조절하는 기능을 대신할 수 있다는 뜻이다.


김 연구위원은 “간단한 전압으로 빛의 세기를 조절하는 등 초박형 렌즈 구현 가능성을 확인했다”며 “이를 실제 광학기기에 응용하도록 연구를 계속할 계획”이라고 밝혔다.

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