상용렌즈 1000분의 1 두께, 그래핀 메타렌즈 구현

빛의 위상 조작해 배율 조정, 조리개 기능까지 한번에

과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단의 김튼튼 연구위원은 KAIST 기계공학과 민범기 교수 연구진, 영국 버밍엄대학 장슈앙(Shuang Zhang) 교수 연구진과의 공동연구로 메타표면과 그래핀을 접합한 그래핀 메타렌즈를 제작했다. 기존 렌즈의 1000분의 1 수준인 25 마이크로미터 두께지만 빛의 위상을 조작해 배율을 조절하는 획기적인 방법이 적용된 렌즈이다.

기존의 카메라 렌즈
카메라 렌즈는 빛을 모아 상을 만들어 피사체를 재현한다. 그 과정에서 상이 뒤틀리는 수차가 생긴다. 빛이 여러 개의 볼록렌즈와 오목렌즈를 간격을 두고 투과해야 수차를 없앨 수 있기 때문에 지금까지 카메라 렌즈는 일정한 두께를 유지해왔다. 최근 휴대폰의 두께는 얇아졌지만 고배율 등 카메라의 성능이 좋아지면서 카메라 렌즈의 돌출이 불가피해졌다. 만약 수 센티미터(㎝)의 렌즈 두께를 마이크로미터(㎛) 수준으로 줄일 수 있다면 명함 한 장 두께의 카메라 렌즈도 구현이 가능할 것으로 기대된다.

메타표면
최근 음의 굴절률을 갖지 않아도 빛의 방향을 자유자재로 조절할 수 있는 메타표면이 개발되어 큰 주목을 받고 있다. 빛과 상호작용하는 경계면의 위상을 개별적으로 제어할 수 있을 경우, 빛의 굴절 방향을 효과적으로 제어할 수 있는 2차원의 인공적인 표면이 메타표면이다. 투과 또는 반사되는 빛의 분포를 인위적으로 조절해 음 굴절뿐만 아니라 평면 렌즈 등을 구현할 수 있어 연구가 매우 활발하다. 또한 기존의 3차원 메타물질에 비해 전달 손실이 매우 낮아 초박형 카메라, 현미경 등에 적용 가능성이 주목 받고 있다. 그러나 메타표면의 광학적 성질은 한번 메타표면이 제작되면 바꿀 수 없다. 

그래핀 메타렌즈의 원리
연구진은 먼저 원형편광된 빛이 서로 다른 기하학적 위상 차이를 겪어 좌편광(우편광)된 빛이 우편광(좌편광)된 빛으로 변환되는 U 형 금속 광학안테나를 설계했다. 여기에 걸어주는 전압에 따라 광전도도를 효과적으로 조절할 수 있는 그래핀을 결합해 전압을 걸어주면 원형편광된 빛을 전 대비 35% 이상 변조시킬 수 있음을 실험으로 확인했다.
또한 광학안테나를 회전해 선형 또는 포물선 형태의 위상분포를 얻어 변환된 원형편광의 빛을 원하는 방향으로 굴절시키거나 한 곳으로 집속시켰다. 마찬가지로 그래핀을 접목해 굴절되거나 집속된 빛의 세기를 능동적으로 제어하는 데 성공했다. 연구진은 전압을 조절해 그래핀 메타렌즈를 투과해 모인 빛의 세기를 제어하는 데에도 성공했다. 빛의 세기를 조절하는 조리개 역할을 하는 것은 0.2㎚의 얇은 그래핀이다. 평상시에는 투명하지만 흐르는 전압의 크기가 커질수록 불투명해지는 특성을 이용했다.

메타렌즈의 활용 예상 분야
연구진이 이번에 구현한 그래핀 메타렌즈는 테라파의 주파수를 이용하도록 제작됐다. 만약 광학안테나의 크기를 줄인다면 가시광선 주파수에 적합하도록 제작할 수 있다. 이를 이용하면 카메라 렌즈의 크기가 혁신적으로 줄어든다. 이번 실험은 2차원 원자층 물질인 그래핀과 2차원 인공 구조인 메타표면과의 결합으로 게이트전압 걸어 굴절되거나 집속된 빛의 세기를 능동적으로 조절한 최초의 실험이다. 파장보다 매우 얇은 두께에서도 굴절하거나 집속된 빛의 세기를 비교적 간단한 게이트전압으로 조절할 수 있어 초박형 광학 렌즈 또는 장기적으로 봤을때 초소형 광학기기 구현의 가능성을 확인했다.

자료제공 : 기초과학연구원(Institute for Basic Science)