인가되는 전압에 따라 액정 분자 배열 방향이 바뀌며 초점이 달라지는 것을 동적으로 보여주는 이미지.[포스텍 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 밀리초 속도로 초점변환이 가능한 머리카락 1/1000 두께의 다초점 렌즈가 등장했다.

얇은 액정층을 이용해 모든 방향으로 진동하는 빛을 특정 방향으로 진동하도록 한정하는 과정이 0.001초 ~ 0.01초 사이에 일어날 수 있어 초점 전환이 놀랄 정도로 빨라질 수 있다. 카메라는 물론 움직임을 좇아야 하는 정밀센서나 빠른 초점 변환이 필요한 AR/VR 디스플레이와 빔조종 등에 응용될 수 있을 전망이다.

한국연구재단은 포항공과대학교(포스텍) 노준석 교수, 성균관대학교 김인기 교수 공동연구팀이 빛을 효과적으로 집속시키는 메타렌즈에 빛의 진동방향을 제어해줄 액정층을 도입한 경량화된 다초점 렌즈 시스템을 구현했다고 3일 밝혔다.

스마트폰, AR/VR 등 광학소자를 갖춘 전자기기의 소형화에 따라 3차원 광집속 및 이미징을 위한 필수요소인 다초점 렌즈 역시 소형화와 경량화가 요구되고 있다.

하지만 기존 다초점 장치는 유리기반의 광학장치를 기계적으로 움직이는 방식으로 시스템이 무겁고 컸다. 이에 평면렌즈의 일종인 메타렌즈가 주목받았으나 가시광선 영역에서 동작하도록 제작하는 공정이 까다로웠다.

연구팀은 가볍고 투과율이 좋은 실리콘과 액정으로 경량화된 다초점 렌즈를 구현했다. 마이크로 미터 두께의 가볍고 작은 메타렌즈에 편광판처럼 빛의 편광상태를 바꿔줄 액정층을 도입한 것이다.

입사하는 가시광선이 액정층을 통과하면서 전기장의 방향이 시계 방향 또는 반시계방향만으로 회전하도록 제한되면서 초점 변화가 밀리초 단위로 빠르게 이뤄지도록 했다.

연구팀은 실제 이 다초점 렌즈를 이용해 원편광 상태에 따라 4mm 차이가 나는 두 초점을 확인하였다. 이는 초점을 변환시킬 때 렌즈의 시야각을 2배로 키울 수 있음을 의미한다.

또한 이미지의 화질을 결정하는 지표인 초점효율을 측정한 결과, 평균 초점효율은 44%로, 최대 초점효율(50%) 대비 굉장히 크게 나타났다.

노준석 교수는 “향후 렌즈의 크기를 키우거나, 두 초점간 차이를 크게 설정함으로써 초점거리 차이를 센티미터 스케일까지 키울 수 있을 것”이라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드벤스드 사이언스’ 11월 첫째 호 표지논문에 게재됐다.