[로이슈 전여송 기자] 한국연구재단이 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 투명 실리콘 박막을 활용해 가시광 전 영역에서 낮은 광손실과 높은 굴절률을 구현하고 이를 메타렌즈와 파장 분리 빔스플리터에 적용했다고 19일 밝혔다.

이번 연구는 두꺼운 유리 렌즈를 머리카락보다 얇은 초박형 구조로 대체할 수 있는 메타광학 소자 기술을 실리콘 기반 박막 공정으로 구현한 데 의의가 있다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구 지원사업으로 수행됐으며, 국제학술지 사이언스 어드밴시스에 2월 14일 온라인 게재됐다.

메타광학 소자는 나노 구조를 이용해 빛의 위상과 진행 방향을 제어하는 기술로, 초박형 카메라 모듈과 안경형 증강현실 및 가상현실 기기 등의 핵심 부품으로 활용 가능성이 제기돼 왔다. 그러나 가시광 영역에서 광손실이 낮고 굴절률이 높은 박막 소재가 제한적이어서 고효율 구현과 대량 생산에 제약이 있었다. 실리콘은 높은 굴절률로 주목받았지만 가시광 영역에서 빛 흡수율이 높다는 한계가 있었다.

연구팀은 플라즈마 에너지를 활용하는 PECVD 공정을 적용해 실리콘 박막의 내부 결합 구조를 제어하는 방식으로 문제를 해결했다. 공정 조건과 첨가 물질을 조정해 가시광 영역에서 광손실이 낮은 비정질 실리콘 박막과 산소를 첨가한 실리콘 박막 산화물을 각각 구현했다.

개발된 두 종류의 실리콘 박막을 메타광학 소자에 적용한 결과, 가시광 메타렌즈와 파장 분리 빔스플리터에서 성능이 확인됐다. 비정질 실리콘 박막을 활용한 메타렌즈는 450나노미터, 532나노미터, 635나노미터 파장에서 각각 66.3퍼센트, 92.0퍼센트, 97.0퍼센트의 변환 효율을 나타냈다. 실리콘 박막 산화물을 적용한 파장 분리 빔스플리터는 635나노미터 적색광을 특정 방향으로 유도하고 450나노미터 청색광은 통과시키는 특성을 보였다.

한국연구재단 관계자는 "실리콘 기반 박막 공정을 활용해 가시광 메타광학의 소재 한계를 보완하고 대면적 제조와 양산 가능성을 제시했다"라고 말했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr