넓은 시야가 가능한 복합렌즈

곤충의 눈에서 영감을 받은 광시야각 소형렌즈

일반적으로 사람의 시야각은 50도 내외이다 하지만 곤충의 눈은 사람의 눈과 달리 수백-수만 개의 홑눈이 모여 있는 겹눈 구조로 이루어져 시야각이 사람보다 훨씬 넓다. 겹눈은 가만히 있어도 상, 하, 좌, 우를 볼 수 있고, 물체의 거리에 상관없이 선명한 영상을 얻을 수 있는 ‘무한심도’ 기능을 지니고 있다. 이 때문에 과학계는 지난 수십여 년 간 곤충의 눈을 모방한 카메라를 개발하기 위해 연구해오고 있다. 복잡하고 신비한 곤충의 눈에서 영감을 얻은 미국 위스콘신-매디슨 대학(University of Wisconsin-Madison)의 연구진이 광시야각을 가진 소형렌즈 개발을 발표했다.

반구형 구조의 다중 렌즈 사용
곤충의 복잡한 눈에 영감을 받은 미국 위스콘신-매디슨 대학(University of Wisconsin-Madison)의 연구진이 광대한 시야를 가진 소형 렌즈를 개발했다. 연구진의 새로운 접근 방식으로 그들은 최초의 광시야각을 가진 유연한 프레넬 동심원 회절판 마이크로렌즈를 개발할 수 있었다.
이 결과물은 외과 수술에서부터 광범위한 시각에서 개체를 촬영할 수 있는 보안 카메라 등 많은 가능성을 제시한다. UW-매디슨의 컴퓨터 및 전기 공학부 교수인 Lynn H. Matthias와 Hongrui Jiang 교수가 이끄는 연구진은 Scientific Reports 저널에 이들의 결과물을 게재했다.
연구진은 유연한 플라스틱 중합체에 내장된 크기가 각각 소금 알갱이 정도로 작은 렌즈를 만들기 위한 도구 개발에 집중하였고, 이들의 접근 방법은 다수의 다중 렌즈를 원주형 구조로 구부리는 것을 가능케 했다. 각각이 핀의 머리보다 더 작은 다수의 소형 렌즈는 거의 완전한 전경을 수집할 수 있으며, 170도의 광시야 영상을 생성한다. Jiang교수는 “우리는 곤충의 겹눈에서 이러한 아이디어를 생각해냈다. 우리는 반구형 구조의 다중 렌즈가 넓은 시야를 제공한다는 것을 인지했다”고 말했다.

광시야각 렌즈의 장점과 특징
이 연구는 외과 수술 영역이나 보안 카메라를 향상시키는데 잠재력이 있으며, 기존 렌즈보다도 훨씬 더 작은 크기로 광범위한 응용의 가능성을 제시한다. 곤충의 눈을 모방하는 것은 광 시야를 수집하는데 도움이 될 뿐만 아니라, 유연하고 변형이 가능하다.
각각의 작은 렌즈는 유연한 플라스틱 고분자 물질 내에 장착되고, 이는 연구진이 렌즈 배열 모양을 자유롭게 재구성할 수 있게 해준다.
Jiang교수는 “사용자가 소형 렌즈를 그들이 원하는 방식으로 조작할 수 있다”고 설명했다. 그는 그 이유에 대해 “집속을 위한 기존의 광학보다는 프레넬 존 플레이트를 사용했기 때문”이라고 덧붙였다. 또한 그는 “일반적으로 유연한 구조는 광학과 호환하지 않지만, 이 렌즈는 작고, 그 광학적 속성 또한 훌륭하다”고 설명했다.
일반적인 렌즈는 뻣뻣한 반투명 소재로 구성되어, 오목 또는 볼록 모양으로 가공된다. 그것들은 입사광의 궤도를 굴절을 통해 단일 초점으로 바꿈으로써 영상을 획득한다. 프레넬 존 플레이트형 렌즈는 대조적으로 상쇄성 간섭이나 회절을 통해 빛에 초점을 맞춘다.

광시야각 렌즈 개발의 어려움

지름 0.5mm의 이 렌즈는 단일 지점으로부터 뿜어져 나와 잔잔한 물의 표면에 나타나는 일련의 고리와 비슷하다. 흑점에서, 각각의 동심 고리는 어둠과 밝음 사이를 교차한다. 고리 간의 거리는 렌즈의 광학적 속성을 결정하며, 연구진은 그것을 늘리고 굽힘으로써 단일 렌즈의 광학적 속성을 조정한다.
프레넬 존 플레이트 렌즈를 만들려는 이전의 시도들은 뿌연 시야로 말미암아 많은 어려움이 있었다. Jiang 교수는 “어두운 영역은 매우 어두워야 하고 본질적으로, 그것은 빛을 완전히 흡수해야 한다. 빛을 모두 반사하거나, 또는 모두 전송하는 물질을 찾는 것은 새로운 도전”이라고 말했다. 그의 연구진은 그들의 프레넬 존 플레이트 렌즈의 어두운 영역 내에 빛을 완전히 가두기 위하여 검은 실리콘을 사용하였고 이로써 장애물을 극복할 수 있었다.
개별 실리콘 나노와이어 사이에서 반동하는 입사광은 이러한 복잡한 구조를 빠져나갈 수 없으며, 이것은 어두운 물질을 더욱 더 어둡게 만든다. 명확한 배경 위에 검은 실리콘층을 놓기보다, Jiang 교수와 그의 연구진은 그들의 렌즈를 생성하기 위하여 상향식 접근 방식(Bottom-up)을 채택했다.
우선 연구진은 리소그래피를 이용하여, 고체 실리콘 웨이퍼 상부에 알루미늄 고리를 새겨 넣고 알루미늄 고리 사이의 영역에 실리콘 나노와이어를 식각했다. 그리고 그들은 실리콘 나노와이어 기둥 사이에 폴리머가 스미도록 설계했다. 플라스틱이 그들이 식각한 실리콘 안감을 굳히게 하면, 흑점 패턴의 검은 실리콘이 유연한 플라스틱 내에 내장된다. 이러한 기술은 연구진에게 광시야를 수집할 수 있는 유연성과 함께, 선명한 초점을 획득하는 능력을 갖춘 렌즈를 가능케 해주었다.
현재, Jiang교수와 그의 연구진은 이러한 소형 렌즈를 실제 응용에 구현할 방법을 탐색하고 있다. 그들은 이러한 렌즈를 기존의 광학 검출기에 통합하려고 하며, 렌즈 그 자체에 직접 실리콘 전자 구성요소를 결합하는 연구를 계속할 계획이다.

자료제공 | KISTI 미리안 「글로벌동향브리핑」