상용렌즈 1000분의 1 두께, 그래핀 메타렌즈 구현

국내 연구진이 기존 카메라 렌즈보다 1000분의 1이나 얇은 렌즈를 개발하는데 성공했다.
김튼튼 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 연구위원과 민범기 KAIST 기계공학과 교수, 슈앙 장 영국 버밍엄대 교수 공동 연구진은 메타표면과 그래핀을 접합한 '그래핀 메타렌즈'를 제작했다고 27일 밝혔다. 기존 렌즈의 1000분의 1 수준인 25um(마이크로미터·1um은 100만분에 1m)두께지만 빛의 위상을 조작해 배율을 조절하는 획기적인 방법이다.
연구진이 개발한 그래핀 메타렌즈는 U형 금박 광학안테나가 촘촘하게 배열된 메타표면으로 제작됐다. 광학안테나가 빛의 위상을 제어해 좌편광(우편광)된 빛을 우편광(좌편광)으로 전환시킨다. 광학안테나의 배열을 바꾸면 빛을 원하는 방향으로 굴절시키거나 한 곳으로 모을 수 있다. 빛의 위상을 개별적으로 조작해 렌즈의 두께와는 무관하게 배율 조정도 가능하다. 김튼튼 연귀위원은 "이번에 구현한 그래핀 메타렌즈는 테라파 주파수를 이용하도록 제작됐다"며 "만약 광학안테나의 크기를 줄인다면 가시광선 주파수에 적합하도록 제작할 수 있다"고 설명했다. 테라파(테라헤르츠파)는 0.1THz~30THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선(430 ~ 760 THz영역)이나 적외선보다 파장이 길어 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있다.
연구진은 전압을 조절해 그래핀 메타렌즈를 투과해 모인 빛의 세기를 제어하는 데에도 성공했다. 빛의 세기를 조절하는 조리개 역할을 하는 것은 0.2㎚(나노미터·1nm은 10억분에 1m)의 얇은 그래핀이다. 평상시에는 투명하지만 흐르는 전압의 크기가 커질수록 불투명해지는 특성을 이용했다. 김튼튼 연구위원은 "상용 테라파 렌즈의 두께가 수 센치미터인 반면, 25 마이크로미터 두께의 그래핀 메타렌즈를 실제로 구현했다. 그래핀과 결합시켜 비교적 간단한 전압조절로 집속된 빛의 세기를 효과적으로 제어할 수 있음을 보여 초소형 광학기기에 응용이 기대된다"고 말했다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 옵티컬 머터리얼스' 20일자에 게재됐다.
[원호섭 기자]