KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀이 한양대 정해준 교수 연구팀과 함께 입사각 변화에도 색 분리 성능을 유지하는 메타물질 기반 이미지센서 기술을 개발했다.

18일 KAIST에 따르면 스마트폰 카메라는 미세한 렌즈로 빛을 모아 촬영하지만 픽셀 크기가 줄어들면서 렌즈만으로는 충분한 광량 확보가 어려워졌다. 기존 흡광형 컬러 필터도 회절 한계로 색 분리 성능이 저하되는 문제가 있었다.

이를 보완하기 위해 제안된 나노포토닉 컬러 라우터는 나노 구조로 빛의 경로를 설계해 적색·녹색·청색을 분리하는 메타물질 기술이다. 다만 기존 구조는 빛이 비스듬히 들어오면 색 혼합과 효율 저하가 발생하는 ‘사선 입사’ 문제가 있어 실제 센서 적용에 제약이 있었다.

연구팀은 자동미분과 경사하강 최적화를 활용한 역설계 알고리즘으로 입사각 변화를 설계 단계부터 반영했다. 기존 구조가 약 12도만 기울어져도 성능이 급격히 떨어진 반면 새 구조는 ±12도 범위에서 평균 78%의 광효율을 유지했다. 픽셀 내부와 픽셀 간 누화도 억제했다.

또한 메타물질 층 수와 공정 오차 등 제작 과정의 변수까지 고려해 성능 변화를 분석하고 입사각 강건성 설계 기준을 제시했다.

연구팀은 이 기술이 스마트폰 카메라 소형화와 저조도 촬영 성능 개선에 활용될 것으로 보고 있다. 색 정확도를 유지하면서 렌즈 두께를 줄일 수 있어 모바일 카메라 구조 혁신에 기여할 가능성이 제시됐다. 증강현실과 자율주행용 센서 등 나노광학 소자에도 적용할 수 있을 것으로 전망된다.

이번 연구는 KAIST 전재현 학사과정생과 박찬형 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며 논문은 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스’에 게재됐다.