KAIST와 한양대학교 공동 연구진이 빛의 입사각이 달라져도 안정적으로 색을 분리할 수 있는 이미지 센서용 메타물질 기술을 개발했다고 밝혔다. 초소형 픽셀 환경에서도 색 정확도를 유지하는 구조를 구현해 스마트폰 카메라의 물리적 한계를 넘어서는 설계 기준을 제시했다.

 

이번 연구는 KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀과 한양대학교 정해준 교수 연구팀이 수행했다. 연구진은 나노포토닉 컬러 라우터 기반 구조에서 제기돼 온 ‘사선 입사’ 문제를 체계적으로 분석하고 해결 방향을 도출했다. 나노포토닉 컬러 라우터는 렌즈 대신 나노 구조를 활용해 입사된 빛을 적색 녹색 청색으로 정밀 분리하는 메타물질 기반 기술이다. 기존 설계는 빛이 수직으로 들어오는 조건에 최적화돼 있어 입사각이 달라질 경우 색 혼합과 성능 저하가 발생했다.

 

연구팀은 사람이 직접 구조를 설계하는 대신 컴퓨터가 최적 구조를 탐색하는 ‘역설계(inverse design)’ 방식을 적용했다. 그 결과 기존 구조는 약 12도만 기울어져도 기능을 거의 수행하지 못했지만 새롭게 설계한 구조는 ±12도 범위에서 약 78%의 광효율을 유지하며 안정적인 색 분리 성능을 보였다. 이는 실제 스마트폰 촬영 환경을 고려한 수치다. 연구진은 메타물질 층 수 설계 조건 제작 오차까지 반영해 입사각 변화에 대한 강건성 한계를 정리했다.

 

 

장민석 KAIST 전기및전자공학부 교수는 “이번 연구는 컬러 라우터 기술의 상용화를 가로막아 온 입사각 문제를 처음으로 체계적으로 분석하고 해결 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “제안한 설계 방법은 컬러 라우터를 넘어 다양한 메타물질 기반 나노광학 소자 전반에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

 

이번 연구는 국제 학술지 Advanced Optical Materials에 1월 27일 자로 게재됐다. 논문명은 ‘Inverse Design of Nanophotonic Color Router Robust to Oblique Incidence’다. 제1저자는 전재현 KAIST 학사과정생과 박찬형 KAIST 박사과정생이며 교신저자는 장민석 KAIST 교수다.

 

헬로티 구서경 기자 |