메탈렌즈가 위성과 드론을 어떻게 변화시킬 것인가

광학 기술은 지난 수십 년 동안 크게 발전했습니다. 오늘날 마이크로렌즈와 같은 기술은 스마트폰과 같은 일상생활의 필수 요소입니다. 따라서 마이크로렌즈 없는 삶은 상상하기 어려울 것입니다. 휴대폰의 얼굴 인식 카메라부터 첨단 의료 영상 소프트웨어에 이르기까지, 특수 설계된 메탈렌즈는 다양한 분야에서 혁신을 주도하고 있습니다.

금속 렌즈란 무엇인가? 기원과 진화

메타표면 기반 광학의 뿌리는 1940년대 WE 코흐가 마이크로파 회절 렌즈를 개발했던 데서 찾을 수 있습니다. 오늘날 우리가 알고 있는 진정한 "메탈렌즈"는 아니었지만, 이러한 초기 실험은 수십 년 후 오늘날 사용되는 나노스케일 메탈렌즈로 발전한 평면 렌즈 기술의 토대를 마련했습니다. 마이크로파 회절 렌즈는 이 기술이 효과적으로 사용된 최초의 사례로 평가받고 있습니다.

50년이 흐른 1990년대에 이르러 기술은 상당한 발전을 이루었습니다. 이 시대에는 엔지니어들이 빛의 위상을 정확하게 기록할 수 있도록 하는 단계적 하위 파장 회절격자(graded subwavelength grating)와 같은 혁신이 이루어졌습니다. 이러한 발전은 또한 과학자들이 더 짧은 파장에서 작동하도록 특별히 설계된 렌즈를 개발하는 계기가 되었고, 그 결과 적외선 기반 시스템이 등장했습니다.

기술이 확장됩니다

2016년, 하버드 대학교 광학 엔지니어들이 이산화티타늄 나노필러를 사용하여 가시광선 파장에서 메탈렌즈를 시연하면서 이 기술은 또 한 번 도약했습니다. 이 혁신은 메탈렌즈 개발에 있어 중요한 이정표였으며, 더 높은 성능을 제공했습니다.

특히, 금속 렌즈는 기술 산업의 핵심 요소이며, 최신 금속 렌즈는 나노 크기로 축소되어 머리카락 한 올보다 얇습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 엔지니어들은 메타 원자를 활용합니다.

메타 원자

이러한 맞춤형으로 설계된 파장 이하 크기 산란기는 평평한 디자인으로 설계되어 탁월한 파장 이하 제어 성능을 제공합니다. 오늘날의 장치는 광파장의 편광, 진폭, 위상 및 주파수를 미세 조정하는 데 사용될 수 있습니다.

엔지니어들은 금속 렌즈를 통해 초단 초점 거리를 활용하는 장치를 설계하여 소형 전자 기기 제작에 활용할 수 있습니다. 따라서 통신부터 여행, 의료까지 모든 분야에서 금속 렌즈가 활용되면서 우리는 매일 금속 렌즈에 둘러싸여 있다는 사실을 깨닫지 못할 수도 있습니다.

오늘날의 메탈렌즈 문제

물론, 엔지니어들이 금속 렌즈를 현실로 만들기까지 극복해야 할 수많은 기술적 난관이 있었습니다. 지난 몇 년간의 발전에도 불구하고, 이러한 장치들은 여전히 ​​그 잠재력을 최대한 발휘하는 데 제약이 되는 몇 가지 한계점을 안고 있습니다.

첫째, 이러한 소자는 확장이 매우 어렵다는 것이 악명 높습니다. 지금까지 제조업체들은 센티미터 크기의 조리개를 가진 안정적인 메탈렌즈를 생산하는 데 어려움을 겪었습니다. 이러한 소자는 광대역 또는 다중 파장 작동을 가능하게 하므로 중요합니다.

안타깝게도, 필요한 군지연(GD) 달성과 같은 제한 요소들이 발전을 계속 방해하고 있습니다. 특히, 최대 필요 선형 위상 분산이라고도 하는 GD는 렌즈 직경에 적합한 크기로 조정되어야 합니다. 그렇지 않으면 무색수차 초점 조절이 거의 불가능합니다.

레이어 확장

지금까지 엔지니어들은 기존 유전체를 사용한 단일층 나노구조 금속 렌즈만 활용할 수 있었습니다. 이러한 한계로 인해 렌즈 직경과 설계 옵션에 제약이 있었습니다. 엔지니어들이 이러한 제약을 극복하기 위해 시도한 한 가지 방법은 기하학적 위상을 사용하여 표면의 위상과 GD를 독립적으로 제어하는 ​​것이었지만, 이 접근 방식은 렌즈의 편광 민감도를 높이는 것으로 입증되었습니다.

최근까지만 해도 짧은 파장에서 압도적인 간섭을 받지 않으면서 가장 긴 파장에서 공명할 만큼 충분히 큰 금속 렌즈를 만드는 것은 불가능했습니다. 그러나 혁신적인 엔지니어 팀이 이러한 문제에 대한 해결책을 찾아냈을지도 모릅니다.

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위성 및 드론을 위한 새로운 Metalens 연구

종이 대면적 다중파장 및 편광에 민감하지 않은 금속 렌즈를 위한 다층 Huygens 메타표면 설계¹ Optics Express에 게재된 이 연구는 메탈렌즈에 대한 새로운 제조 방법과 접근법을 조명합니다. 이 연구는 근적외선(NIR) 스펙트럼을 활용하여 성능과 기능을 향상시키는 편광 무감응형 다중파장 메탈렌즈 설계를 보여주었습니다.

모델

엔지니어는 고급 컴퓨터 모델을 활용하여 수백만 개의 메타표면 모양과 그 모양이 빛에 미치는 영향을 연구하고 시험하는 것으로 시작했습니다. 흥미롭게도, 계산 결과 엔지니어들이 라이브러리에 저장한 독특한 디자인이 도출되었습니다. 둥근 사각형, 네잎 클로버, 프로펠러, 그리고 예상치 못한 변형들이 그 모양에 포함되었습니다. 놀랍게도, 이 소프트웨어는 전기 쌍극자와 자기 쌍극자 모두에서 단일 파장 공명을 정확하게 예측할 수 있었습니다. 이러한 파장은 호이겐스 공명으로 알려져 있습니다.

출처 - 호주 국립 대학교

금속렌즈

엔지니어들은 렌즈 표면의 나노구조물 표면 형상을 정확하게 파악한 후, 렌즈 표면 개발을 시작했습니다. 엔지니어들은 역형상 최적화 기법을 사용하여 메타 원자를 설계하여 다중 영역 분산 공학 금속렌즈를 제작했습니다.

하위헌스의 메타표면 층

이 전략에서, 메탈렌즈는 스펙트럼적으로 중첩되는 전기적(ED) 및 자기적(MD) 쌍극자 공명을 지원하도록 배열된 메타 원자를 사용합니다. 이 전략에서 GD는 여러 영역으로 코팅됩니다. 이 접근법은 각 영역이 메타 원자의 달성 가능한 최대값에 의해 제한되도록 합니다.

처음에 연구팀은 단일 층으로 여러 파장을 집중시키려고 시도했습니다. 하지만 곧 다중 파장 전략으로 전환해야 한다는 것을 깨달았습니다. 그들은 여러 개의 호이겐스 메타표면 층을 사용하면 특정 파장을 분리하고 변조하는 완벽한 방법을 제공할 수 있다는 것을 확인했습니다.

다중 파장 전략

각 호이겐스 메타표면은 높은 투과율을 유지하면서 특정 파장을 변조하도록 설계되었습니다. 이러한 전략은 다른 파장에서의 위상 교란도 줄여 엔지니어들이 원하는 다층 구조에 이상적입니다.

이 작업을 달성하기 위해 메타물질 층들이 서로 협력하여 비편광 광원으로부터 다양한 파장 범위를 대구경에 집중시킵니다. 이 전략은 단일층 메타표면에서 달성 가능한 최대 군지연을 초과하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다. 특히, 공간 인터리빙 설계의 희소 위상 샘플링을 제거합니다.

결과적으로 엔지니어는 개구수, 물리적 직경, 작동 대역폭 등 핵심 구성 요소를 조정할 수 있습니다. 엔지니어들은 이 기술이 편광에 민감하지 않은 작동을 제공하면서도 최대 5개의 가변 파장에서 작동할 수 있다는 점에 주목했습니다.

Metalenses 테스트를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드

과학자들은 이 장치를 시험하기 위해 향상된 메탈렌즈를 개발했습니다. 첫 단계로, 연구팀은 2000nm와 2340nm에서 작동하고 개구수(NA)가 0.11인 메탈렌즈를 설계하고 제작했습니다. 이 장치는 높이 300nm, 너비 1000nm에 불과하여 눈에 보이지 않았습니다.

특히, 연구팀은 여러 파장에 걸쳐 장치를 테스트했습니다. 0에서 2파이까지 전체 위상 변화 범위와 시뮬레이션을 통한 기타 중요 단계들을 테스트하는 데 집중했습니다. 특히, 이 렌즈들은 훨씬 더 큰 장치들과 유사한 성능을 보였지만, 작동에 필요한 공간과 에너지는 훨씬 적었습니다.

메탈렌스 테스트 결과

테스트 결과 엔지니어의 시뮬레이션 결과가 정확함을 확인했습니다. 메탈렌즈 설계는 전반적으로 이전 모델들을 능가했습니다. 정규화된 변조 전달 함수(MTF)를 성공적으로 달성했습니다. 특히, 연구팀은 절대 초점 효율이 각각 65%와 56%라는 결과를 기록했습니다. 이러한 결과는 완벽하지는 않지만, 상당한 개선이며 이 크기의 렌즈에서 최적의 성능을 달성하는 데 큰 도움이 됩니다.

항공우주 및 그 외 분야에 대한 Metalenses의 이점

이 기술은 시장에 많은 이점을 제공합니다. 첫째, 이 작은 렌즈는 더 많은 기기에 탑재될 수 있어 더욱 컴팩트한 디자인이 가능합니다. 이 미세 렌즈의 추가 기능은 소비자 경험을 개선하고 항공우주, 의료 및 기타 분야에서 혁신을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다.

레이어 정렬 불량에 대한 높은 허용 범위

이 설계는 측면 정렬 불량에 대한 높은 내구성을 제공하는 것으로 입증되었습니다. 이 장치에서는 각 층이 다음 층 사이에 아주 작은 공간만 존재한다는 점을 기억하세요. 이러한 분리는 원거리 영역에서 발생하며, 이는 자동으로 정렬 불량을 줄이는 데 도움이 됩니다.

더 쉬운 제작

이 연구의 또 다른 주요 이점은 새로운 제조 방식을 제시한다는 것입니다. 이 접근 방식을 통해 과학자들은 단순히 유닛을 조립하여 완전한 금속 렌즈를 만들기 전에 각 층을 개별적으로 제작할 수 있습니다. 이 전략은 각 장치를 단일 공정으로 완전히 제작하는 것보다 훨씬 저렴합니다.

확장

이 제조 공정은 업계의 요구에 맞춰 확장 가능합니다. 또한, 제품 자체도 더 많은 응용 분야에 맞춰 확장 가능합니다. 이러한 확장 작업은 첨단 실리콘 관통 나노 제조 기술을 활용하여 가능합니다.

Metalenses를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드: 실제 적용 사례 및 타임라인:

금속 렌즈는 시중에 다양하게 활용될 수 있습니다. 우선, 이 연구는 혁신을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다. 휴대용 기기와 웨어러블 기기에 사용할 수 있는 미세하고 저렴하며 강력한 차세대 광학 기술을 개발하는 데 기여할 것입니다.

의료 분야

이 기술은 첨단 영상 시스템부터 치료 기반 웨어러블 기기에 이르기까지 의료 분야에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다. 이 렌즈는 의료 전문가들에게 기술을 활용하여 회복 과정을 추적하는 더욱 효과적이고 지속 가능한 도구를 개발할 수 있는 방법을 제공할 것입니다.

안전 시스템

이 기술의 또 다른 응용 분야는 안전 모니터링 분야입니다. 고출력 이미징 장치는 작업 내 핵심 부품의 작동 및 양호한 상태를 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 미래에는 소형 센서가 미세 균열, 유해 화학 물질 또는 기타 안전 위험 요소와 같은 잠재적 위험을 작업자에게 경고할 수 있을 것입니다.

Aerospace

항공우주 산업은 이 기술이 성숙해짐에 따라 즉시 통합될 것입니다. 메탈렌즈는 향후 드론, 위성 및 기타 항공우주 분야에 사용될 것입니다. 가볍고 컴팩트한 디자인은 이러한 요소들이 성공에 필수적인 분야에 이상적입니다. 따라서 드론과 지구 관측 위성이 다층 메탈렌즈를 통합하는 최초의 분야가 될 것으로 예상됩니다.

전기 자동차

전기차는 이 기술을 활용하여 스마트 주행 시스템의 무게를 줄일 것입니다. 점점 더 많은 전기차가 주행 및 자동 회피 기능을 위해 AI를 도입함에 따라, 자동차 제조업체들은 가장 효과적이고 가벼운 광학 시스템을 끊임없이 찾고 있습니다. 이 최신 기술을 통해 자동차 제조업체들은 미래 차량의 배터리 수명을 더욱 늘리는 동시에 광학 성능을 향상시킬 수 있을 것입니다.

Metalenses를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드 타임라인

이 기술이 시장에 출시되기까지는 3~7년이 걸릴 수 있습니다. 소비자 입장에서는 향후 10년 안에 스마트 기기에 통합될 수 있을 것입니다. 군사용으로는 감시 위성과 드론이 최우선 과제이기 때문에 개발 기간이 더 단축될 것입니다.

Metalenses 연구원을 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드

"메탈렌즈를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드" 연구는 호주 국립대학교 물리학 연구원과 ARC 변형 메타광학 시스템 우수 센터(TMOS)가 주도했습니다. 또한, 국제 연구 훈련 그룹인 메타-액티브(Meta-ACTIVE)의 일원인 독일 프리드리히 실러 예나 대학교의 엔지니어들이 이 연구에 참여했습니다. 본 논문에서는 특히 조슈아 조르단, 알렉산더 E. 미노비치, 드라고미르 네셰프, 이사벨 스타우드를 주요 저자로 명시하고 있습니다.

Metalenses Future를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드

금속 렌즈의 미래는 밝습니다. 이 초소형 장치는 항공우주 분야에 필수적인 요소가 될 것입니다. 이제 엔지니어들은 임의의 다중 파장 위상 프로파일 연구에 집중할 것입니다. 그들의 목표는 과거의 단순 렌즈 기술을 뛰어넘고 AI와 같은 다른 기술을 결합하여 미래 설계를 최적화하는 것입니다.

광학 분야의 혁신적인 회사

광학 분야를 장악하고 있는 여러 기업이 있습니다. 이 기업들은 더욱 효과적인 렌즈 옵션을 개발하기 위해 매년 수백만 달러를 R&D에 투자합니다. 광학 컴퓨팅 기술의 경계를 넓히고 혁신을 주도한다는 목표로 높은 수준의 파트너십을 지속적으로 확보하고 있는 기업이 있습니다.

주니퍼 네트웍스, Inc.

주니퍼 네트웍스(Juniper Networks Inc.)는 1996년 컴퓨터 라우터 제조업체로 시장에 진출했습니다. 캘리포니아주 마운틴뷰에 본사를 두고 있습니다. 프라딥 신두(Pradeep Sindhu)를 필두로 데니스 부쉬넬(Dennis Bushnell)과 비욘 리엔크레스(Bjorn Liencres)가 공동 창립했습니다. 그들은 오늘날의 컴퓨팅 요구에 최적화된 고성능 라우터를 전 세계적으로 공급하는 회사를 꿈꿨습니다.

주니퍼는 출시 2년 후 M40 라우터를 출시했습니다. 이 제품은 큰 성공을 거두었고, 이를 통해 회사는 다른 사업 분야로 사업을 확장할 수 있었습니다. 오늘날 주니퍼는 표준을 준수하는 완벽한 광학 제품 포트폴리오를 제공합니다. 이러한 제품에는 직접 감지 및 코히어런트 광 트랜시버, 애플리케이션별 플러그형 제품, 그리고 기타 고급 광 컴퓨터 하드웨어가 포함됩니다.

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Metalenses를 통한 위성 및 드론 카메라 업그레이드 | 결론

금속 렌즈는 새로운 차원의 광학 기능을 가능하게 합니다. 이러한 장치는 이미 일상 업무에 필수적인 요소이며, 이에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 따라서 향후 몇 년 안에 거의 모든 소형 휴대용 광학 장치에 금속 렌즈가 적용될 것으로 예상됩니다. 이러한 노력에 대해 이 엔지니어들은 박수를 받을 만하며, 이는 업계의 미래 발전에 큰 영향을 미칠 것입니다.

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참고자료

^{1. Joshua Jordaan, Alexander E. Minovich, Dragomir Neshev, Isabelle Staude, “대면적 다중파장 및 편광 무감응 금속렌즈를 위한 다층 Huygens 메타표면 설계,” Opt. Express 33, 33643-33654 (2025) https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-33-16-33643&id=575152}