상변화로 초점 맞추는 ‘메타 렌즈’ 등장

초소형 열 카메라, 야간 투시 고글 등에 사용 가능

렌즈 하면 당연히 유리나 유리와 비슷한 재료로 만들어야 한다고 생각한다. 유리를 정확하게 곡면으로 매끈하게 연마해서 빛을 선명하게 모아야, 더욱 정확하고 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있기 때문이다.

그런데 유리 렌즈가 없어도 선명한 이미지를 찍어주는 전혀 새로운 개념의 ‘메타 렌즈’가 나왔다. 재료를 ‘메타 표면’으로 처리해서 만든 ‘메타 렌즈’는 기존 렌즈의 개념을 완전히 뒤흔들어 놓을 것으로 예상된다. 렌즈를 이동하거나 초점을 맞추는 물리적인 움직임이 없어도, 레이저로 열을 가하면 이 ‘메타 렌즈’는 초점을 맞출 수 있기 때문이다.

MIT 과학자들은 22일 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표한 논문에서 이 ‘메타 렌즈’가 드론, 휴대폰 또는 야간 투시경으로 두루 이용될 소형 줌 렌즈로 이용될 수 있다고 말했다.

레이저 통해 상변화를 일으켜 초점을 맞추는 메타 렌즈의 원리 © MIT

연구원들은 이 물질의 표면을 작고 정밀하게 패턴화된 구조로 에칭했다. 이렇게 ‘메타 표면’으로 가공된 물질은 빛을 독특한 방식으로 굴절시키거나 반사시킨다. 재료의 특성이 변함에 따라 메타 표면의 광학 기능도 달라진다. 물질이 가열된 후 원자 구조가 바뀌고 이에 반응하여 메타 표면은 빛의 방향을 바꾸어 더 먼 물체에 초점을 맞춘다.

CD 만드는 재료에 셀렌 첨가시킨 새 물질 이용

연구팀은 CD와 DVD에 사용되는 GST 재료를 변형하여 만든 상변화 물질로 메타 렌즈를 만들었다. GST는 게르마늄, 안티몬, 텔루르로 구성되어 있다. 레이저 펄스로 가열하면 내부 구조가 바뀐다. 이 같은 특성을 이용해서 만든 CD는 저장된 데이터를 지우고 다시 쓸 수 있는 기능이 생긴다.

올해 초, 연구팀은 GST에 또 다른 재료인 셀렌을 첨가해서 새로운 상변화 물질인 GSST를 만들었다. GSST를 가열하면, 원자 구조는 무정형의 무작위적인 엉킴에서 더 질서정연한 결정 구조로 바뀐다. 이러한 상변화는 또한 적외선 빛이 GSST를 통과하는 방식을 변화시켜, 굴절력에 영향을 주었다.

연구팀은 GSST의 스위칭 능력을 조절해서 초점을 맞추도록 할 수 있는지 확인이 필요했다. 그렇다면 이 물질은 기계 부품을 이용해서 초점을 이동할 필요 없이 능동 렌즈 역할을 할 수 있기 때문이다.

연구팀은 렌즈를 움직이는 대신, GSST의 위상에 따라 초점 길이가 변하는 방식으로 GSST 기반의 메타 렌즈를 조정하려 했다. 1미크론 두께의 GSST 층을 제작한 다음, GSST 층을 다양한 모양의 미세한 구조로 에칭 하여 ‘메타 표면’을 만들었다. 메타 표면이 다양한 기능을 발휘하려면 아주 정교한 방법으로 어떤 형태와 패턴을 사용할지 신중한 엔지니어링이 필요하다.

메타 렌즈의 미세구조를 확대한 모습 © MIT

MIT 재료 연구소의 티안 구(Tian Gu) 연구원은 “GSST 물질이 어떻게 동작하는지를 알아야 무정형 상태에서 한 점에 초점을 맞췄다가, 결정 단계에서 다른 점으로 변하는 특정한 패턴을 설계할 수 있다.”고 설명했다.

연구팀은 새로운 메타 렌즈에 레이저 빔을 쏘이면 초점이 조정되는지 실험했다. 메타 렌즈 앞에 ‘해상도 차트’라고 하는 수평 및 수직 막대가 새겨진 광학 시스템을 놓았다.

레이저 펄스로 가열해서 초점 거리 조정

메타 렌즈는 처음 비정형 상태에서 첫 번째 패턴의 선명한 이미지를 생성했다. 이어 메타 표면을 결정 단계로 바꾸기 위해 메타 렌즈를 가열했다. 열을 제거한 다음에도 메타 렌즈는 똑같이 선명한 이미지를 만들어 냈다. 기계적인 동작 없이 두 개의 다른 깊이에서 사진을 보여준 것이다.

연구원들은 마이크로 히터를 사용하여 밀리세컨드 펄스로 메타 렌즈를 빠르게 가열할 수 있다고 말했다. 가열 조건을 변화시키면, 지속적으로 메타 렌즈의 초점을 조절할 수 있다.

메타 렌즈의 광학적 구조를 확대한 사진 © MIT

이러한 방식으로 개발된 활성 ‘메타 렌즈’는 부피가 큰 기계적 요소 없이도 초점을 조정하는 것이 매우 큰 장점이다. 아직은 이 메타 렌즈가 적외선 대역 안으로만 찍을 수 있지만, 앞으로는 드론을 위한 미니어처 열 카메라, 휴대폰용 초소형 열 카메라, 야간 투시 고글과 같은 보다 민첩한 광학 장치를 가능하게 할 것으로 기대된다.

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