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초박형 카메라·현미경 등 렌즈 두께 종이처럼 얇아진다

한영 연구진 '그래핀 메타렌즈' 제작…기존 렌즈 1천분의 1 수준 구현 가능

상용 테라파 렌즈와 연구진이 제작한 그래핀 메타렌즈. 테라파 렌즈의 두께가 30㎜(3㎝) 정도이고, 그래핀 메타렌즈 두께는 이보다 약 1천배 얇은 25㎛다. [기초과학연구원 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 빛의 위상을 조작해 배율을 조절하는 방식으로 기존 렌즈 1천분의 1 수준 두께를 구현할 수 있는 기술이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리 연구단 김튼튼 연구위원이 민범기 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수팀·장슈앙 영국 버밍엄대학 교수팀과 공동 연구로 메타표면과 그래핀을 접합한 그래핀 메타렌즈를 제작했다고 27일 밝혔다.

카메라 렌즈는 빛을 모아 상을 만들어 피사체를 재현한다.

이 과정에서 상이 흐려지거나 비뚤어지는 등의 '수차'(收差)가 생길 수 있다

수차를 없애려면 여러 개의 볼록 렌즈와 오목 렌즈가 간격을 두고 빛을 투과해야 한다. 카메라 렌즈가 일정한 두께를 유지해야 하는 이유다.

그래핀 메타렌즈는 유(U)형 금박 광학안테나를 촘촘하게 배열한 메타표면으로 만든다.

메타표면은 빛의 위상을 통해 굴절방향·편광을 조절할 수 있는 인공 구조다.

기존 3차원 메타물질보다 전달 손실이 낮아 초박형 카메라나 현미경 등 적용 가능성에 대해 주목받고 있다.

그림(a) 왼쪽은 U형 금박 광학안테나(a=76㎛, b=51㎛, w=19㎛)이고 오른쪽은 연구진이 개발한 그래핀 메타표면 구조도. 그림(b)는 서로 다른 기하학적 위상 차이 때문에 좌편광 입사광이 우편광 투과광으로 바뀌는 모습을 표현했다. 광학안테나 방향을 바꿔 선형 위상 차이를 갖는 메타표면을 설계하면 빛의 굴절 방향을 조절할 수 있다. [기초과학연구원 제공=연합뉴스]

연구팀은 테라파 주파수를 이용하도록 그래핀 메타렌즈를 제작했다.

그래핀 메타렌즈를 투과해 모인 빛의 세기를 전압을 조절하는 방식으로 제어하는 것도 성공했다.

빛의 세기를 조절하는 조리개 역할을 하는 것은 얇은 그래핀이다. 평상시엔 투명하다가 흐르는 전압 크기가 커질수록 불투명해지는 특성을 이용했다.

김튼튼 IBS 연구위원은 "상용 테라파 렌즈 두께가 ㎝급이지만, 이번에 구현한 그래핀 메타렌즈는 25㎛(마이크로미터) 두께"라며 "그래핀과 결합해 비교적 간단한 전압조절 빛의 세기를 효과적으로 제어할 수 있는 만큼 초소형 광학기기 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

연구 성과를 담은 논문은 광학 분야 전문 학술지 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)' 20일 자 온라인판에 실렸다.

walden@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2017/11/27 12:00 송고

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