카메라 모듈은 스마트폰 및 모바일 기기뿐만 아니라, 의료용 장비, 드론, 안경식 디스플레이 등 다양한 차세대 전자기기의 개발에 가장 핵심적인 부품이므로, 미래의 전자기기 시장을 선점하기 위해 더 얇고 높은 성능의 카메라 모듈의 개발에 대한 필요성이 매우 높다. 카메라 모듈의 고성능화 및 소형화에 있어 가장 중요한 부분은 렌즈 시스템으로서, 기존의 시스템들은 굴절 광학을 기반으로 여러 비구면 렌즈들의 종적 배열로 이루어져 있다. 기존 렌즈 시스템은 더 높은 성능을 얻기 위해서는 더 두껍고 많은 층의 렌즈 배열이 요구되는 굴절 광학 고유의 문제점을 갖고 있어, 소형화 및 고성능화에 근본적인 한계점이 존재한다. 이를 극복하기 위해서는 기존 렌즈 플랫폼에서 벗어나 완전히 새로운 형태의 접근방식이 필요하다.

인공적인 나노 구조물들의 2차원 배열로 이루어진 메타표면은 빛을 자유롭게 조절할 수 있다는 점에서 새로운 광학 소자로의 돌파구를 열 수 있다. 메타표면으로 만들어진 렌즈인 메타렌즈는 기존 렌즈보다 1000배 이상 얇은 두께를 가지며, 동시에 높은 자유도의 파면 조절 능력을 통해 높은 이미징 성능을 보여주고 있다.

본 과제에서는 메타렌즈의 연구를 통해 초소형 고해상도 평면광학 시스템을 개발하고자 한다. 본 과제는 고성능 초소형 광학 소자 구현의 새로운 돌파구를 제시함으로써 근본적인 패러다임의 전환을 가져올 것이며, 차세대 모바일 및 전자기기 시장의 원천 기술을 선점할 수 있을 것이다.

[그림 1] 메타표면을 응용한 광학 소자의 예시 (메타홀로그램과 메타렌즈)

본 연구팀은 지난 수 년간 메타표면을 응용한 광학 소자들에 관해 연구했으며, 기존 광학 소자들의 한계를 극복하는 홀로그램, 증강현실 메타렌즈 소자 등의 연구 결과들을 발표하였다. 기존 광학 소자들에 비해 월등히 얇은 두께와 높은 광 제어 성능으로 기존 광학으로는 달성하기 불가능한 형태의 광학 소자를 구현할 수 있다.