하버드 평면 메탈렌즈, 색수차 제거로 가상현실 혁신

하버드 연구진이 가시광 전 스펙트럼을 고해상도로 한 점에 초점화할 수 있는 메탈렌즈 개발했습니다. 이산화티타늄 나노핀(nanofins)이 모든 파장 빛을 동등하게 초점화해 색수차(chromatic aberration) 제거. 메탈렌즈는 리소그래피, 현미경, 내시경, 가상·혼합현실 등 새 응용 가능성 엽니다.

난제들

가시광 전 스펙트럼(흰색 포함)을 한 점에 초점화하는 건 매우 어렵습니다. 주로 파장마다 물질 통과 속도 다르기 때문. 예: 파란 빛이 빨간 빛보다 느리게 가니, 두 색이 주어진 점에 다른 시간에 도착해 초점이 다르고 이미지 왜곡. 이 왜곡을 색수차라 부릅니다.

이런 수차 조정 위해 모든 광학 기기들은 서로 다른 두께의 2개 이상 곡면 렌즈 사용, 기기 부피 증가시킴.

메탈렌즈와 설계

메탈렌즈는 기존 렌즈 대비 여러 장점 — 제작 용이, 얇음, 비용 효율적. 연구팀은 이 장점들을 가시광 전 스펙트럼에 활용했습니다.

새 메탈렌즈는 이산화티타늄 나노핀 사용해 모든 파장 빛 동등하게 초점화, 색수차 제거. 이전 연구에서 나노핀 너비, 높이, 거리, 모양 조정으로 다른 파장 주어진 점에 초점화 가능함 아이디어 얻음.

메탈렌즈 측면 전자현미경 사진, 스케일바 200nm | Capasso Lab/Havard SEAS

새 설계에서 쌍 나노핀들이 서로 다른 파장 속도와 메탈렌즈 표면 굴절률 동시 제어. 파장들이 다른 핀들 통과할 때 가변 시간 지연 주어 모든 빛이 초점에 같은 순간 도착하게 함.

나노구조 물질 내 빛 속도 두 나노핀 하나로 합쳐 조정 가능. 아크로매틱(achromatic) 렌즈 대비 두께와 설계 복잡도 크게 감소.

구체적으로, 팀은 470~760나노미터에서 회절 한정 아크로매틱 초점화·이미징 입증. 새 메탈렌즈는 파장 차수 두께 단일 나노구조 레이어만 포함, 공간 다중화나 캐스케이딩 없음.

같은 설계 원리 전자기 스펙트럼 다른 영역에도 적용 가능. 더 큰 직경과 수치 개구수 아크로매틱 메탈렌즈 실현 위해 서로 다른 차원 나노핀 다중 조합 지원 더 넓은 그룹 지연 범위 필요. 다른 분산 기술이나 나노핀 높이 증가로 실현 가능.

평면 메탈렌즈 | 이미지 출처: Jared Sisler/Harvard SEAS

이 연구에서 이산화티타늄 나노구조들 약 4.5마이크로미터 높이로 약 37펨토초(10^-15초) 그룹 지연 대응 입증.

참조: Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | Harvard SEAS

메탈렌즈 캐스케이딩 레이어들로 그룹 지연 추가 증가 가능, 큰 시야장에서 단색 수차 교정 추가 자유도 도입. 수차 교정 역할 하는 메탈렌즈와 구면 굴절 렌즈 합칠 수도 있음.

구면 렌즈 색수차와 단색 수차 동시 교정하면서 큰 렌즈 조리개와 작은 색수차 초점 거리 이동 이점 활용 가능해 보임.

앞으로의 계획

하버드 이미 기술 상용화 위해 스타트업에 라이선싱, 프로젝트 지적재산권 보호.

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