2025년 8월 7일, 삼성전자와 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀은 Nature Communications에 발표한 논문 "Compact eye camera with two-third wavelength phase-delay metalens"에서 메타렌즈 기술의 상용화 가능성을 높인 연구 결과를 공개했습니다.
1. 메타렌즈란?
1.1. 메타렌즈: 빛을 다루는 새로운 방식
메타렌즈는 메타물질(Metamaterial)을 활용해 빛의 경로를 제어하는 초박형 렌즈입니다. 전통적인 렌즈는 유리나 플라스틱을 깎아 곡면을 만들고, 빛을 굴절시켜 초점을 맞춥니다. 하지만 이 방식은 렌즈가 두껍고 무거워질 수밖에 없죠. 반면, 메타렌즈는 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 구조물을 표면에 배치해 빛의 위상(Phase)을 정밀하게 조절합니다.
1.2. 기존 렌즈의 한계
기존 렌즈는 여러 문제를 안고 있습니다.
두께와 무게: 스마트폰 카메라의 "카메라 돌출부(Camera Bump)"는 여러 렌즈를 쌓아야 해서 생기는 문제입니다.
복잡한 구조: 고성능 카메라를 위해 여러 렌즈를 조합해야 하므로 제조 비용과 공간이 많이 필요합니다.
광학 성능 한계: 색수차(빛의 색깔별로 초점이 달라지는 현상)나 왜곡 같은 문제를 해결하려면 추가 보정이 필요합니다.
메타렌즈는 이런 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있습니다.
2. 삼성전자와 포스텍의 기술 성과 ( ▶ 논문 바로가기 )
2.1. 세계 최초의 ‘2/3 파장 위상 지연’
2025년 8월 13일, 삼성전자와 포스텍은 ‘2/3 파장 위상 지연’ 메타렌즈를 세계 최초로 구현했다고 발표했습니다. 이 연구는 Nature Communications 에 게재되었으며, 메타렌즈 상용화의 주요 난제를 해결한 성과로 평가받습니다. 논문에 따르면, 이 메타렌즈는 적외선(IR) 대역에서 작동하며, 기존 2π 위상 지연 대신 4π/3(2/3 파장) 위상 지연을 적용해 나노구조물의 종횡비를 낮췄습니다.
‘2/3 파장 위상 지연’은 빛의 파동 위상을 조절하는 새로운 기준으로, 기존 방식보다 구조물 높이를 줄이면서도 광학 성능을 유지할 수 있게 했습니다. 이는 마치 정밀한 조각칼로 섬세하게 빛을 다듬는 방식으로, 기존의 큰 망치로 두드리는 방식과 대비됩니다.
2.2. 핵심 기술: 나노구조물 높이 최적화
삼성전자와 포스텍의 연구팀은 메타렌즈의 나노구조물 높이를 획기적으로 줄였습니다. Nature Communications 논문에 따르면, 기존 2π 위상 지연 메타렌즈는 나노구조물 높이가 약 800nm였으나, 4π/3 위상 지연을 적용해 이를 500nm로 감소시켰습니다. 이는 종횡비를 1:10에서 1:5로 낮추며, 제조 난이도를 줄이고 안정성을 높였습니다.
이 기술의 핵심은 다음과 같습니다:
최적화된 나노구조 설계: 나노구조물의 형태와 배열을 조정해 4π/3 위상 지연으로도 효율적인 회절 성능을 구현.
고효율 광학 성능: 120도 시야각(FoV)과 1.758mm의 초소형 총 길이(TTL)를 달성하며, 동공 추적과 홍채 인증에 적합.
제조 용이성: 낮은 종횡비로 반도체 공정과 호환 가능, 대량 생산 가능성 확보.
3. 메타렌즈 기술의 기술적 세부사항 및 성능 데이터
3.1. 위상 지연 설계와 나노구조물 최적화
논문 내용에 따르면 해당 메타렌즈는 나노구조물(메타-원자)의 위상 지연을 조절해 광학 성능을 구현합니다. 기존 2π 위상 지연 설계는 나노구조물 높이를 800nm로 요구하며, 종횡비 1:10 이상을 필요로 했으나, 4π/3(2/3 파장) 위상 지연 설계는 높이를 500nm로 줄이고 종횡비를 1:5로 낮췄습니다. 이는 제조 공정에서의 오차를 줄이고, 안정성을 높였습니다.
위상 지연은 나노구조물의 높이(H)와 유효 굴절률(neff)에 의해 결정되며, 식 φ(x, y) = (2π/λ) × neff(x, y) × H로 표현됩니다. 4π/3 위상 지연은 최소 3단계(M=3)의 이산화 위상 분포를 통해 +1차 회절 효율을 극대화하며, 불필요한 -1차 및 0차 회절을 억제합니다. 이는 나노구조물 직경(w) 변화에 따른 위상 변화(Δφ/Δw)를 줄여 제조 공차에 강인한 설계를 가능하게 합니다.
3.2. 광학 성능 및 프로토타입 데이터
논문에 제시된 프로토타입은 직경 0.5mm, 수치 조리개(NA) 0.35의 메타렌즈로, 850nm 파장에서 작동합니다.
시야각(FoV): 120도, 넓은 시야 보장.
총 길이(TTL): 1.758mm, 초소형 설계.
MTF 성능: 72% (기존 50% 대비 향상), 이미지 선명도 개선.
응용 사례: 동공 추적 및 홍채 인증을 위한 안구 카메라 모듈.
이 메타렌즈는 선형 위상 기울기(LPG) 프로파일을 유지하며, 4π/3 위상 지연 범위 내에서 최적화된 위상 분포를 통해 +1차 회절 효율을 유지합니다. 직경 100nm 미만의 나노구조물은 위상 섭동이 0.056π 이하로 무시할 수 있어, 추가적인 종횡비 개선이 가능합니다.
3.3. 제조 공정 및 재료 선택
고굴절률 재료(예: 비정질 실리콘) 대신 저굴절률 재료를 사용해 다중 고차 반사를 줄이고, 플레어(Flare) 문제를 완화했습니다. 나노구조물은 반도체 공정(리소그래피 및 에칭)을 통해 제조되며, 낮은 종횡비로 인해 대량 생산 수율이 향상되었습니다. 이는 상용화 비용을 낮추는 데 기여합니다.
4. 메타렌즈의 상용화 가능성과 응용 분야
4.1. 스마트폰 카메라 혁신
스마트폰 카메라는 점점 더 얇고 강력한 렌즈를 요구합니다. 삼성전자의 갤럭시 시리즈는 고성능 카메라로 유명하지만, 카메라 돌출부는 여전히 디자인의 걸림돌입니다. 새 메타렌즈는 기존 2.0mm 두께의 카메라 모듈을 1.6mm로 20% 줄였으며, 이는 돌출부 제거와 슬림한 디자인을 가능하게 합니다. 또한, MTF(변조전송함수) 성능이 50%에서 72%로 향상되어 더 선명한 사진 촬영이 가능해졌습니다.
4.2. XR(확장현실) 기기의 소형화
AR 글래스와 VR 헤드셋은 무겁고 부피가 큰 렌즈로 인해 착용감이 떨어집니다. 이번 메타렌즈는 120도 시야각과 1.758mm의 초소형 총 길이를 달성해, 동공 추적과 홍채 인증에 최적화된 안구 카메라 모듈로 구현되었습니다. 이는 AR 글래스의 무게를 70-100g에서 50g 이하로 줄이는 데 기여할 수 있습니다.
4.3. 자율주행과 의료 분야
메타렌즈는 LiDAR 센서와 초소형 내시경에 적용 가능성이 있습니다. 논문에서 언급된 고효율 광학 설계는 자율주행차의 정밀 센서와 의료기기 이미지 품질 향상에 기여할 수 있습니다.
5. 메타렌즈 기술의 미래 전망
5.1. 상용화 일정
삼성전자와 포스텍은 이번 기술이 스마트폰과 XR 기기에 곧 적용될 가능성을 시사했습니다. 삼성전자 공식 발표에 따르면, 메타렌즈는 반도체 공정과 호환 가능한 제조 방식을 채택해, 빠른 상용화가 가능할 것으로 보입니다. 구체적인 상용화 일정은 공개되지 않았지만, 업계 전문가들은 2026년~2027년 사이에 갤럭시 시리즈나 XR 기기에 메타렌즈가 탑재될 가능성을 점치고 있습니다.
5.2. 경쟁사와의 비교
글로벌 기업들도 메타렌즈 기술 개발에 뛰어들고 있습니다.
애플: AR 글래스 개발에 메타렌즈를 검토 중이며, 2027년 출시 예정인 Apple Vision Pro 2에 적용 가능성.
메타: VR 헤드셋(Oculus)에 메타렌즈를 활용해 경량화 시도 중.
구글: 자율주행과 AR 분야에서 메타렌즈 연구 진행.
삼성전자와 포스텍의 기술은 2/3 파장 위상 지연이라는 독창적 접근으로 차별화되며, 경쟁사 대비 제조 용이성과 광학 성능에서 우위를 점하고 있습니다.
5.3. 소비자 혜택
소비자는 메타렌즈 기술로 다음과 같은 혜택을 누릴 수 있습니다:
더 얇고 가벼운 기기: 스마트폰과 AR 글래스가 더 편리해짐.
고품질 사진과 영상: 색수차 없는 선명한 이미지.
새로운 경험: AR/VR 콘텐츠의 몰입감 향상.
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