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기존 렌즈 '1000분의 1' 두께 그래핀 메타렌즈 구현

김튼튼 IBS 연구위원, 민범기 KAIST 교수, 장슈앙 버밍엄대 교수 연구진과 공동 연구
빛의 위상 조작해 배율 조정···조리개 기능까지 한번에
최근 휴대폰의 두께는 얇아지고 카메라 성능이 좋아지면서 카메라 렌즈의 돌출이 불가피해졌다. 현재 수 센치미터(㎝) 렌즈 두께를 마이크로미터(㎛) 수준으로 줄인다면 명함 한 장 두께의 카메라 렌즈도 구현할 수 있게 된다.

IBS(원장 김두철)는 나노구조물리연구단(연구단장 이영희)의 김튼튼 연구위원이 민범기 KAIST 기계공학과 교수 연구진, 장슈앙(Shuang Zhang) 영국 버밍엄대학 교수 연구진과의 공동연구를 통해 메타표면과 그래핀을 접합한 그래핀 메타렌즈를 제작했다고 27일 밝혔다.

공동 연구진은 U형 금박 광학안테나(이하 광학안테나)가 촘촘하게 배열된 메타표면으로 그래핀 메타렌즈를 제작했다.

광학안테나는 빛의 위상을 제어해 좌편광(우편광)된 빛을 우편광(좌편광)으로 전환시킨다. 이 안테나의 배열을 바꾸면 빛을 원하는 방향으로 굴절시키거나, 한 곳으로 모을 수 있다. 또 빛의 위상을 개별적으로 조작해 렌즈의 두께와 상관없이 배율을 조정하는 것도 가능하다.

그래핀 메타렌즈는 테라파의 주파수를 이용하도록 제작됐다. 만약 광학안테나의 크기를 줄인다면 가시광선 주파수에 적합하도록 제작할 수 있다. 이를 이용하면 카메라 렌즈의 크기가 줄어들 수 있다. 

연구진은 전압을 조절해 그래핀 메타렌즈를 투과해 모인 빛의 세기를 제어하는 데에도 성공했다. 0.2㎚의 얇은 그래핀이 빛의 세기를 조절하는 조리개 역할을 한다. 

김튼튼 연구위원은 "25 마이크로미터 두께의 그래핀 메타렌즈를 실제로 구현했다"면서 "앞으로 빛의 세기를 효과적으로 제어해서 초소형 광학기기에 응용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. 

이번 연구성과는 광학분야 전문학술지 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)'에 지난 20일자 온라인판에 게재됐다. 

상용 테라파 렌즈와 연구진이 제작한 그래핀 메타렌즈. 상용화된 테라파 렌즈의 두께가 수 센티미터인 반면 그래핀 메타렌즈의 두께는 약 1000배 얇은 수십 마이크로미터 이내로 구현 할 수 있다.<자료=IBS 제공>상용 테라파 렌즈와 연구진이 제작한 그래핀 메타렌즈. 상용화된 테라파 렌즈의 두께가 수 센티미터인 반면 그래핀 메타렌즈의 두께는 약 1000배 얇은 수십 마이크로미터 이내로 구현 할 수 있다.<자료=IBS 제공>
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