메탈렌즈가 위성 및 드론을 혁신하는 방법

광학 기술은 지난 수십 년간 크게 발전했습니다. 스마트폰의 미세렌즈부터 얼굴 인식 카메라와 의료 영상 장비까지, 특수 설계된 메타렌즈는 여러 산업의 혁신을 이끌고 있습니다.

메탈렌즈란? 기원과 진화

메타표면 광학의 뿌리는 W.E. Koch가 마이크로파 회절렌즈를 개발한 1940년대로 거슬러 올라갑니다. 현대적 메타렌즈는 아니었지만, 이 실험은 이후 나노 규모 평면렌즈 기술의 토대가 됐습니다.

1990년대에는 파장보다 작은 경사 격자 등으로 빛의 위상을 정밀하게 제어할 수 있게 됐고, 더 짧은 파장용 렌즈와 적외선 시스템이 등장했습니다.

기술의 확장

2016년 Harvard 연구진이 이산화티타늄 나노기둥으로 가시광선 메타렌즈를 구현하면서 성능이 한 단계 높아졌습니다.

현재 메타렌즈는 머리카락보다 얇은 나노 규모로 제작되며 기술 산업의 핵심 부품이 됐습니다. 이를 위해 메타원자를 사용합니다.

메타-원자

파장보다 작은 맞춤형 산란체를 평면에 배열하면 편광, 진폭, 위상, 주파수를 정밀하게 제어할 수 있습니다.

초단초점 장치를 설계해 전자기기를 소형화할 수 있으며, 메타렌즈는 통신·교통·의료 등 일상 곳곳에서 쓰입니다.

오늘날 메탈렌즈의 문제점

메타렌즈를 실용화하려면 많은 기술 장벽을 넘어야 했습니다. 최근의 발전에도 불구하고 여전히 잠재력을 제한하는 문제가 남아 있습니다.

대표적인 문제는 확장성입니다. 제조업체는 센티미터급 개구를 지닌 신뢰성 높은 메타렌즈 생산에 어려움을 겪고 있습니다. 이런 크기는 광대역 또는 다중 파장 작동에 중요합니다.

필요한 군지연(GD)을 확보하는 것도 어렵습니다. 최대 선형 위상 분산은 렌즈 지름에 맞아야 하며, 그렇지 않으면 무색수차 초점 형성이 거의 불가능합니다.

층 확장

기존 유전체로는 단일층 나노구조 메타렌즈만 만들 수 있어 지름과 설계 선택이 제한됐습니다. 기하학적 위상으로 표면의 위상과 군지연을 독립 제어할 수 있지만 렌즈가 편광에 민감해집니다.

최근까지는 짧은 파장의 강한 간섭 없이 가장 긴 파장에서 공진할 만큼 큰 메타렌즈를 만들 수 없었습니다. 새로운 연구팀이 이 문제의 해결책을 제시했습니다.

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위성 및 드론을 위한 새로운 메탈렌즈 연구

Optics Express에 게재된 논문 Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses¹은 새로운 제조법을 소개합니다. 연구진은 근적외선(NIR)을 이용해 성능을 높이는 다중 파장·편광 비의존 메타렌즈를 구현했습니다.

모델

연구진은 고급 컴퓨터 모델로 수백만 가지 메타표면 형상과 빛에 미치는 영향을 시험했습니다. 둥근 사각형, 네잎클로버, 프로펠러 등 독특한 형상을 라이브러리로 만들었고, 소프트웨어는 전기·자기 쌍극자의 단일 파장 Huygens 공진을 정확히 예측했습니다.

출처 – Australian National University

메탈렌즈

렌즈 표면의 나노구조 형상을 정한 뒤 역형상 최적화로 메타원자를 설계해 여러 구역에서 분산을 제어하는 메타렌즈를 만들었습니다.

휘겐스 메타표면 층

메타원자는 스펙트럼이 겹치는 전기(ED)와 자기(MD) 쌍극자 공진을 지원하도록 배열됩니다. 군지연을 여러 구역에 나눠 각 구역을 메타원자가 구현 가능한 최대값 안에 둡니다.

처음에는 한 층으로 여러 파장을 집중하려 했지만, 여러 Huygens 메타표면 층을 사용해 특정 파장을 분리하고 변조하는 방식으로 전환했습니다.

다중 파장 전략

각 Huygens 메타표면은 높은 투과율을 유지하면서 특정 파장을 변조하도록 설계됐습니다. 다른 파장의 위상 교란도 줄여 다층 구조에 적합합니다.

메타물질 층들이 함께 작동해 비편광 광원의 여러 파장을 큰 지름에 걸쳐 집중합니다. 단일층 메타표면의 최대 군지연을 넘어설 수 있고, 공간 인터리빙 설계의 성긴 위상 샘플링 문제도 없앱니다.

따라서 수치개구, 물리적 지름, 작동 대역폭을 조절할 수 있습니다. 이 장치는 편광에 영향을 받지 않으면서 최대 다섯 파장을 처리할 수 있습니다.

메탈렌즈 테스트를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드

연구팀은 2,000nm와 2,340nm에서 작동하고 수치개구가 0.11인 메타렌즈를 제작했습니다. 높이 300nm, 폭 1,000nm로 육안으로 보이지 않습니다.

여러 파장과 0에서 2π까지의 위상 이동을 시뮬레이션했으며, 훨씬 큰 장치와 비슷한 성능을 더 적은 공간과 에너지로 달성했습니다.

메탈렌즈 테스트 결과

시험은 시뮬레이션을 확인했습니다. 메타렌즈는 기존 제품을 능가했고 정규화된 변조전달함수(MTF)를 달성했습니다. 절대 초점 효율은 65%와 56%로, 이 크기의 렌즈로서는 큰 개선입니다.

항공우주 및 그 외 분야를 위한 메탈렌즈의 장점

초소형 렌즈는 더 많은 장치에 통합돼 제품을 소형화할 수 있습니다. 향상된 기능은 소비자 경험을 개선하고 항공우주, 의료 등 여러 분야의 혁신을 촉진합니다.

층 정렬 오차에 대한 높은 허용도

이 설계는 층간 측면 정렬 오차에 대한 허용도가 높습니다. 층 사이 간격이 매우 작고 원거리장에서 분리되므로 오정렬의 영향을 자동으로 줄입니다.

제조 용이성

각 층을 별도로 만든 뒤 조립해 완성할 수 있다는 것도 장점입니다. 장치 전체를 한 공정에서 제조하는 것보다 훨씬 저렴합니다.

확장성

첨단 관통 실리콘 나노제조 전략 덕분에 제조 공정과 제품 모두 산업 수요 및 다양한 응용에 맞게 확장할 수 있습니다.

메탈렌즈를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드: 실제 적용 및 일정:

메타렌즈는 휴대기기와 웨어러블에 사용할 수 있는 작고 저렴하며 강력한 차세대 광학 장치를 가능하게 합니다.

의료 분야

의료에서는 첨단 영상부터 치료용 웨어러블까지 활용할 수 있습니다. 의료진은 회복을 추적하는 더 효과적이고 지속 가능한 도구를 만들 수 있습니다.

안전 시스템

안전 모니터링에도 사용할 수 있습니다. 소형 센서가 미세 균열, 위험 화학물질 등 잠재 위험을 작업자에게 경고할 수 있습니다.

항공우주

성숙한 기술은 드론, 위성 등 항공우주 분야에 빠르게 도입될 것입니다. 가볍고 작은 다층 메타렌즈는 드론과 지구관측위성에 특히 적합합니다.

전기차

전기차는 스마트 주행 시스템의 무게를 줄이는 데 이 기술을 활용할 수 있습니다. AI 주행과 자동 회피가 늘면서 효율적이고 가벼운 광학계가 중요해졌고, 새 기술은 광학 성능과 배터리 수명을 함께 높일 수 있습니다.

메탈렌즈를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드 일정

시장 출시까지 3~7년이 걸릴 수 있으며, 소비자 스마트기기에는 향후 10년 안에 통합될 수 있습니다. 감시위성과 드론을 중시하는 군사 분야는 더 빠를 전망입니다.

메탈렌즈를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드 연구자들

연구는 Australian National University의 Research School of Physics와 ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems가 주도했고, 독일 Friedrich Schiller University Jena의 Meta-ACTIVE 연구진도 참여했습니다. 주요 저자는 Joshua Jordaan, Alexander E. Minovich, Dragomir Neshev, Isabelle Staude입니다.

메탈렌즈를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드 미래

메타렌즈는 항공우주 운용에 중요한 초소형 장치가 될 전망입니다. 연구진은 임의의 다중 파장 위상 프로파일과 AI 결합을 통해 단순 초점을 넘어 미래 설계를 최적화할 계획입니다.

광학 분야의 혁신적인 기업

광학 분야의 여러 기업은 더 효과적인 렌즈를 개발하기 위해 매년 막대한 연구비를 투자합니다. 다음 기업은 광컴퓨팅 기술의 한계를 넓히고 혁신을 위한 대형 파트너십을 이어가고 있습니다.

Juniper Networks, Inc.

Juniper Networks Inc.는 1996년 라우터 제조사로 출범했으며 캘리포니아 Mountain View에 본사를 두고 있습니다. Pradeep Sindhu, Dennis Bushnell, Bjorn Liencres는 현대 컴퓨팅에 최적화된 고성능 라우터를 전 세계에 공급한다는 목표로 회사를 세웠습니다.

설립 2년 뒤 Juniper는 M40 라우터를 출시해 성공을 거뒀습니다. 현재는 직접 검출 및 코히어런트 광트랜시버, 용도별 플러그형 모듈 등 표준 기반 광학 제품과 고급 광컴퓨팅 하드웨어를 제공합니다.

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메탈렌즈를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드 | 결론

메타렌즈는 새로운 광학 능력을 열어 줍니다. 이미 일상 운용에 중요하며 수요도 증가하고 있어, 향후 거의 모든 소형 휴대용 광학 장치에 쓰일 수 있습니다. 연구진의 성과는 산업 전반에 큰 영향을 미칠 것입니다.

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참고문헌

^{1. Joshua Jordaan, Alexander E. Minovich, Dragomir Neshev, and Isabelle Staude, “Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses,” Opt. Express 33, 33643-33654 (2025) https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-33-16-33643&id=575152}