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빛의 파장보다 작은 물체 관찰하는 ‘메타렌즈’

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빛의 파장보다 작은 물체 관찰하는 ‘메타렌즈’

2016.06.05 18:00

사이언스 제공
사이언스 제공

이번주 ‘사이언스’ 표지에는 초박막 ‘메타렌즈(meta-lens)’의 표면 이미지가 실렸다.

 

빛이 어디로 향해야 할지 안내라도 하는 듯 서로 다른 각도로 꽂혀 있는 핀들은 일정한 패턴을 이루고 있다. 그 위로는 렌즈를 통과한 빛이 한 지점(노란색)에 모여 있다.

 

메타렌즈는 굴곡이 없는 평면 렌즈로, 빛을 작은 크기의 한 지점에 정확하게 모아 준다. 페데리코 카파소 미국 하버드대 교수팀은 가시광선 영역의 모든 빛에서 높은 효율을 보이는 메타렌즈를 처음으로 개발했다고 ‘사이언스’ 3일자에 발표했다.

 

카메라, 현미경 등에 쓰이는 기존의 렌즈는 렌즈 표면을 볼록하거나 오목하게 만들어 모든 빛이 하나의 초점에 모이도록 빛의 각도를 조절했다. 이런 방식으로 아주 미세한 부분을 정밀하게 보기 위해서는 렌즈가 더 둥글게 굽어야 하지만, 렌즈의 굴곡이 너무 심해지면 상에 왜곡이 생기면서 선명한 이미지를 얻기도 힘들어진다. 그래서 복잡한 형태로 여러 개의 렌즈를 겹쳐서 사용해야 했다.

 

메타렌즈는 이런 한계를 넘어섰다. 렌즈에 굴곡을 만드는 대신 나노 크기의 이산화티타늄으로 만든 핀을 평면의 유리 표면 위에 배열했다. 이렇게 만든 표면을 ‘메타표면’이라 하는데, 메타표면은 입사된 빛의 방향을 틀어 특정 지점을 향하도록 만들어 준다. 이산화티타늄은 반사율이 높아 안료로도 쓰이는 소재다.

 

빛의 파장보다도 짧은 거리에 있는 두 물체를 구분할 수 있을 정도로 분해능이 높다는 것도 메타렌즈의 장점이다. 400㎚(나노미터, 1㎚는 10억 분의 1m) 크기까지 작은 물체를 선명하게 볼 수 있다.

 

논문의 공동 저자인 오재원 캐나다 워털루대 연구원은 “메타렌즈는 콤팩트한 평면 렌즈로 기존 렌즈를 뛰어 넘는 성능을 얻을 수 있기 때문에 가상현실(VR) 기기 등 고성능을 필요로 하는 분야에 활용 가능성이 무궁무진하다”고 말했다.
  
카파소 교수는 “현재 대량 생산되고 있는 메모리칩과 마이크로프로세서처럼 메타렌즈도 비교적 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있게 될 것”이라며 “메타렌즈 기술은 가시광선 영역에서 활용할 수 있기 때문에 카메라부터 휴대전화, 현미경 등 우리 생활 곳곳에 쓰이고 있는 모든 기존 렌즈를 대체할 잠재력을 지녔다”고 밝혔다.

 

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