▲ PECVD증착 중 도펀트 조절을 통한 흡수율 조절 / (좌) PECVD 장치 및 가스 주입 개략도, (중) 도펀트 조절로 a-Si:H/a-SiOx:H 형성, (우) 기판 온도(Ts)와 챔버 압력(Pc)에 따른 소광계수(k, 481 nm) 변화. Reproduced from [Yang et al., ScienceAdvances, 2026], licensed under CC BY-NC 4.0. [양영환 외, Science Advances, 2026]에서 재인용(재수록)하였으며, CC BY-NC 4.0 라이선스를 따릅니다(그림 및 설명=포항공대 노준석 교수)   © 특허뉴스

기존 두꺼운 유리 렌즈를 대체할 수 있는 초박형 메타렌즈 기술이 ‘투명 실리콘’ 기반으로 구현되면서, 가시광 메타광학의 핵심 한계가 극복됐다. 스마트폰 카메라의 초소형화와 AR·VR 디바이스의 경량화에 직결되는 기술로, 차세대 광학 산업의 전환점이 될 것으로 평가된다.

한국연구재단은 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 가시광 전 영역에서 낮은 광손실과 높은 굴절률을 동시에 만족하는 실리콘 박막 소재를 개발하고, 이를 메타렌즈와 파장 분리 빔스플리터에 적용해 성능을 입증했다고 밝혔다. 해당 연구는 국제학술지 Science Advances에 2월 14일 온라인 게재됐다. 

메타렌즈는 나노 구조를 활용해 빛을 제어하는 차세대 광학 소자로, 기존 렌즈 대비 훨씬 얇고 가볍게 제작할 수 있다. 그러나 가시광 영역에서는 빛 손실이 적으면서도 굴절률이 높은 소재가 부족해 고효율 구현과 대량 생산에 제약이 있었다. 특히 실리콘은 높은 굴절률로 메타광학에 적합하지만, 가시광 영역에서 빛을 흡수하는 특성 때문에 활용이 제한돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 플라즈마 기반 PECVD 공정을 활용해 실리콘 박막의 내부 결합 구조를 정밀하게 제어했다. 이를 통해 가시광에서도 투명성을 유지하는 비정질 실리콘(a-Si:H)과, 파장별 광학 특성을 조절할 수 있는 실리콘 산화물(a-SiOx:H) 두 가지 소재를 동시에 구현했다.

개발된 투명 실리콘 박막을 적용한 메타렌즈는 가시광 주요 파장대인 청색(450nm), 녹색(532nm), 적색(635nm)에서 각각 66.3%, 92.0%, 97.0%의 높은 변환 효율을 기록했다. 이는 에너지 손실을 최소화하면서 풀컬러 이미지를 구현할 수 있는 수준이다.

또한 실리콘 산화물 박막을 활용한 메타소자는 특정 파장의 빛을 선택적으로 분리하는 기능을 구현했다. 예를 들어 적색 빛은 특정 방향으로 보내고 청색 빛은 그대로 통과시키는 파장 분리 빔스플리터를 구현함으로써, 고해상도 이미징과 색 분리 기술에 적용 가능성을 확인했다.

이번 연구의 의미는 단순한 성능 개선을 넘어 ‘공정 호환성’과 ‘양산 가능성’을 동시에 확보했다는 점에 있다. 실리콘 기반 공정은 기존 반도체 제조 인프라와의 호환성이 높아 대면적 생산이 가능하며, 이는 상용화 전환의 핵심 조건으로 평가된다.

연구진은 이번 성과가 초박형 카메라 모듈, AR·VR 글래스, 웨어러블 광학기기 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망했다. 특히 광학 부품의 두께와 무게를 획기적으로 줄이면서도 성능을 유지할 수 있어, 차세대 디바이스 설계의 핵심 기술로 자리잡을 가능성이 크다.

투명 실리콘이라는 새로운 재료 플랫폼을 기반으로 메타광학의 실용화 단계가 한 걸음 앞당겨지면서, 향후 광학·반도체 융합 산업 전반에 미칠 파급효과에도 관심이 집중되고 있다.

논문명은 Breaking the optical loss barrier in amorphous silicon across the full visible spectrum via dopant-controlled chemical vapor deposition이다.