투명 실리콘으로 가시광 메타렌즈 한계 넘었다

- 저손실·고굴절 실리콘 박막 기반 가시광 메타광학 기술 개발

PECVD증착 중 도펀트 조절을 통한 흡수율 조절. (자료제공: 한국연구재단)

최적화된 투명한 실리콘과 기존 실리콘 비교. (자료제공: 한국연구재단)

투명 실리콘을 활용해 두꺼운 유리 렌즈를 머리카락보다 얇은 초박형 메타렌즈로 구현하고 대량생산할 수 있는 길이 열렸다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 가시광 전 영역에서 낮은 광손실과 높은 굴절률을 동시에 만족하는 실리콘 기반 박막 소재를 구현, 이를 메타렌즈(기존의 크고 무거운 광학 소자를 나노구조물로 설계해 초박형/초경량 렌즈로 제작할 수 있는 차세대 광학 시스템)와 파장 분리 빔스플리터(입사되는 빛을 파장(색)에 따라 나누는 전통적 방식의 광학소자. 메타렌즈 기술과 결합했을 때 더 선명한 풀컬러 이미지를 구현하는 방식이 연구되고 있음)에 적용해 가시광 메타광학의 성능 한계를 극복할 수 있는 기반을 제시했다고 2월 19일 밝혔다.

메타광학 소자는 스마트폰을 더 얇게 만들 수 있는 초박형 카메라나 안경 형태의 초경량 AR/VR(증강/가상현실) 글래스 등의 핵심 부품으로 주목받고 있다. 하지만 가시광에서 빛 손실이 적으면서 굴절율이 높은 박막 소재가 드물어 고효율 메타표현 구현과 대량 생산 한계가 있었다. 실리콘은 굴절률이 높아 메타광학에 적합하지만 가시광 영역에서는 빛을 많이 흡수해 활용이 어렵다는 문제가 있었다.

연구팀은 가시광 전 영역에서 투명하고 굴절률이 높은 실리콘 기반 박막 소재 공정을 설계함으로써 이 문제를 해결했다. 재료 설계에서 플라즈마 에너지를 이용하는 PECVD 공정(열 대신 플라즈마 에너지를 이용해 기판 위에 박막을 입히는 증착 공정으로, 이번 연구에서는 메타렌즈의 나노 구조체를 만들 때 실리콘 기판 위에 실리콘 박막 층을 쌓는 데 활용된다)을 활용해 실리콘 박막의 내부 결합 구조를 정밀하게 제어했다.

먼저 공정 조건과 첨가 물질을 조정해 가시광 영역에서도 빛 손실이 매우 적은 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)을 구현하고, 동시에 산소를 첨가한 실리콘 박막 산화물(a-SiOx:H)까지 설계해 파장에 따라 서로 다른 기능을 수행할 수 있는 소재를 확보했다.

이렇게 개발한 두 가지 실리콘 박막을 실제 메타광학 소자에 적용해 성능을 검증한 결과, 가시광 메타렌즈 및 파장 분리 빔스플리터에서 높은 효율과 기능성을 입증했다. 투명한 실리콘 박막(a-Si:H)을 이용해 제작한 메타렌즈는 가시광선의 주요 파장대(450/532/635nm, 청색/녹색/적색)에서 각각 66.3%, 92.0%, 97.0%의 높은 변환 효율을 달성, 에너지 손실을 최소화한 풀컬러 메타렌즈 구현이 가능함을 보여줬다.

또한 실리콘 박막 산화물(a-SiOx:H)의 강한 분산 특성을 활용해 적색 빛(635nm)은 특정 방향으로 보내고 청색 빛(450nm)은 그대로 통과시키는 성능을 가진 메타소자 파장 분리 빔스플리터를 구현했다.

노준석 교수는 이번 연구에 대해 “실리콘이 가시광 메타렌즈에 쓰기 어렵다는 한계를 넘어, 실리콘 박막의 두 가지 핵심 재료 플랫폼을 동시에 제시함으로써 실리콘 기반 공정과의 높은 호환성을 바탕으로 대면적 제조와 양산 가능성을 제시했다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 2월 14일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]