메타렌즈란 무엇이며 어떻게 작동합니까?

메타렌즈(및 일반적으로 메타 surface)는 복잡한 이미징 및 조명 장치에서 시스템 크기와 무게를 줄이면서 시스템 성능을 개선할 수 있는 실용적인 솔루션으로 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이는 장치 내에 여러 개의 '기존' 광학 부품이 사용되어야 했던 구조들을 단일 메타렌즈로도 동일하게 구현할 수 있기 때문입니다.

그러나 시스템 요구 사항과 더불어 규모에 맞게 제조할 수 있는 메타렌즈를 설계하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 이는 메타 렌즈의 직경이 이미지 센서나 내시경과 같은 소형 장치에 사용되는 경우 수백 마이크론에서 휴대폰 카메라나 증강 현실(AR) 헤드셋과 같은 시스템의 두꺼운 굴절 부품을 대체하는 데 사용되는 경우 센티미터(또는 그 이상)에 이르기까지 다양하기 때문입니다.

따라서 정교한 메타 렌즈 설계를 위해서는 넓은 조리개 범위의 렌즈 성능 및 대형 광학 시스템 내부의 메타 렌즈 성능을 정확하게 평가할 수 있는 Multi-Scale, Multi-Physics 시뮬레이션이 필요합니다. 

메타렌즈란 무엇입니까?

메타렌즈는 유전체 표면에 파장 대역보다작은 “메타 원자” 패턴을 사용하여 입사광을 조작합니다. 구체적으로 메타 원자 패턴은 입사광에 대한 위상 정보를 수정하여 빔이 변화되도록(방향 전환) 합니다. 메타 원자는 다양한 모양과 크기를 가진 작은 나노 크기의 구조로, 렌즈 전체에서 위치를 임의로 지정할 수 있으며 빛의 상호작용을 제어하도록 설계되었습니다. 메타렌즈의 '렌즈'는 이러한 구성 요소가 기존 렌즈처럼 빛의 초점을 맞추는 데 사용된다는 의미이지만, 업계에서는 위상 제어를 제공하는 다양한 기능까지 포함하는 의미로 이 용어를 사용하고 있습니다.

이러한 위상 조작을 달성하기 위해 메타렌즈는 메타 원자의 굴절률과 주변 물질의 굴절률 사이에 큰 차이가 있어야 합니다. 메타렌즈에 사용되는 재료는 관심 있는 애플리케이션의 목표 파장 범위에 따라 달라지며, 재료 흡수가 최소화되고 제조 기술의 요구 사항을 충족할 수 있어야 합니다. 예를 들어 실리콘은 일반적으로 LiDAR 센서와 같은 근적외선(IR) 응용 분야에 사용되는 것으로 간주되지만, 이산화 티이타늄, 질화 갈륨, 질화 규소는 가시 광선의 파장 범위에서 카메라 응용 분야에 사용되는 것으로 고려됩니다.

메타렌즈는 어떻게 제조됩니까?

공정 방법에 따라 메타렌즈 설계에 사용할 수 있는 가능한 메타 원자 패턴이 결정됩니다. 현재 공정 방법은 다음과 같습니다:

• E-Beam 리소그래피: 전자의 집중된 빔을 사용하여 기판에 나노스케일 패턴을 생성함으로써 나노 공정에서 탁월한 정밀도와 다목적성을 제공합니다. 이 방법은 메타렌즈의 대량 생산에는 적합하지 않기 때문에 주로 연구 응용 분야에 사용됩니다.
• DUV 리소그래피: Deep Ultraviolet(DUV) 빛을 활용하여 복잡한 패턴을 감광성 물질에 전사합니다. 이 기술은 고해상도 패터닝을 위한 반도체 제조에서 매우 중요한 기술입니다.
• Nanoimprint 리소그래피: 미리 정의된 나노 구조를 가진 주형을 기판에 압착하는 것과 관련됩니다. 따라서 높은 정밀도로 나노스케일 패턴을 복제하기 위한 비용 효율적이고 확장 가능한 방법을 제공합니다.

위의 모든 방법은 표면의 XY 평면에서 메타 원자 패턴의 유연한 정의를 지원하지만, Z 방향의 변형을 지원하는 기능이 제한되어 있습니다. 따라서 현재 많은 메타렌즈 설계는 이진 모양을 기반으로 하며, 메타 원자 패턴은 Z에서 균일하지만 XY 평면에서는 임의적입니다.

또한 제작 방법은 메타렌즈의 재료 선택에도 영향을 미칩니다. 예를 들어 리소그래피 제작은 반도체 제조에 이미 자주 사용되는 실리콘 또는 기타 재료의 사용에 적합하다. 또한 Nanoimprint 리소그래피는 다양한 유형의 UV 또는 열 경화 에폭시도 사용합니다.

대체로, 메타렌즈는 작은 피처 크기(위상 조작용)와 큰 설치 공간(개구수/빔 크기용)을 결합하기 때문에 저비용으로 대규모 제조에 어려움을 겪고 있습니다. 아직 메타렌즈 제조 초기 단계에 있으므로, 일부 재료 시스템이나 제작 공정이 반도체 및 광집적 회로(PIC) 산업에서 기대할 수 있는 규모의 경제 효과를 제공할지는 확실하지 않습니다. 그러나 일부 분야, 특히 의료용 내시경과 같은 정교한 기술의 시스템 비용과 비교했을 때 기존 광학 장치보다 얇은 메탈렌즈를 사용하는 것이 비용 대비 더 큰 이점을 제공할 수 있습니다.

메타렌즈의 이점은 무엇입니까?

메타렌즈는 부피가 큰 기존 렌즈와 광학 시스템의 기타 구성 요소를 대체할 수 있는 평평하고 가벼운 옵션입니다. 얇은 단일 메타렌즈는 복잡한 시스템에서 여러 광학 구성 요소의 기능을 결합할 수 있습니다. 예를 들어 기존의 Dot 프로젝터에 사용되는 마스크 및 렌즈 시스템을 대체할 수 있습니다. 또한 메타렌즈는 편광 조작 및 분할과 같은 추가 기능을 구현하는 데 사용될 수 있습니다. 실제로 편광을 활용하여 AR 및 컴퓨터 사진과 같은 응용 분야에서 3D 감지를 위해 Dot 프로젝터 및 디퓨저와 같은 소스의 기능을 결합하고 있습니다.

메타렌즈의 응용 분야는 무엇입니까?

메타렌즈는 시스템에서 광학 장치의 크기와 무게를 줄이는 것이 중요한 경우에 사용할 수 있습니다. 여기에는 자율 주행 차량 및 안면 인식 시스템의 3D 감지용 LiDAR, 내시경 및 현미경과 같은 의료 기기, IR 및 머신 비전 카메라와 같은 감시 시스템, 휴대폰 카메라, CMOS 이미지 센서, AR/VR 헤드셋 등의 디스플레이 및 이미징 시스템, 홀로그래피가 포함됩니다.

메타렌즈 기술의 미래

칩 제조 산업에서는 설계자가 특정 제조 공정 내에서 집적 회로를 만드는 데 사용하는 필수 툴, 라이브러리 및 데이터 모음이 일반적으로 공정 설계 키트(PDK)라는 것에 통합됩니다. 메타렌즈 제조가 계속 발전함에 따라 반도체 및 PIC 산업에서 볼 수 있는 것처럼 PDK가 등장할 것으로 예상할 수 있습니다. PDK를 통해 메타렌즈 설계자는 파운드리가 제공하는 독점적이고 검증된 메타 원자 구조로 작업할 수 있으므로 설계자는 파장보다 작은 범위의 설계가 아닌 응용 분야에 계속 집중할 수 있습니다. 따라서 파운드리는 메타렌즈 생태계에서 중요한 역할을 하며, 여기에는 메타렌즈 제조 회사 및 팹리스 설계 회사도 포함됩니다. 설계자가 복잡한 메타렌즈를 설계하는 데 쉽게 사용할 수 있는 메타 원자 라이브러리를 찾기 시작함에 따라 이 생태계 내에서 파트너십이 매우 중요해집니다.

이러한 방식으로 PDK는 메타렌즈 설계를 위한 “블랙박스” 기본 요소를 나타냅니다. 그러나 수율 해석 및 공차를 통해 제조 가능성을 탐색하는 설계 및 시뮬레이션 툴이 함께 제공되어야 합니다. 각 제조 실행에는 비용과 시간이 모두 많이 들기 때문에 이러한 유형의 해석은 충분히 견고한 설계를 개발하여 실행 횟수를 줄이는 데 매우 중요합니다.

메타렌즈 설계에서 시뮬레이션의 역할

메타렌즈는 시뮬레이션 없이 시스템 성능에 미치는 영향을 평가할 수 없는 복잡한 광학 구성 요소입니다. 시뮬레이션을 사용하면 설계 최적화, 공차 및 수율 해석을 지원하여 신속한 설계 결정을 내릴 수 있습니다. 그러나 나노미터 크기의 메타 원자를 포함하는 센티미터 크기의 메타렌즈를 효율적으로 시뮬레이션(그리고 크기가 수십, 수백 또는 수천 센티미터일 수 있는 광학 시스템 내부의 해당 메타렌즈에 대해 후속적으로 시뮬레이션)하는 것은 그리 쉬운 일이 아닙니다. 시뮬레이션 툴은 빠르고 정확하며 견고해야 하는 것은 물론 사본질적으로 Multi-Scale 및 Multi-Physics를 지원해야 합니다.

메타렌즈 내에서 메타 원자 크기와 모양은 렌즈에 입사하는 빛의 초점을 맞추는 위치에 따라 매끄럽게 달라집니다. 이러한 원활한 변화를 통해 RCWA와 같은 효율적인 알고리즘을 사용하여 메타렌즈를 시뮬레이션할 수 있습니다. 그런 다음, Fourier 전파 또는 광선 추적을 사용하여 전체 광학 시스템의 시뮬레이션을 위한 툴 내부에서 메타렌즈의 RCWA 모델링 결과를 직접 사용할 수 있습니다.

메타렌즈 모델을 전체 시스템 시뮬레이션에 통합하는 것은 설계 프로세스에 매우 중요합니다. 그렇게 해야만 설계자는 메타렌즈가 시스템 내부에서 어떻게 작동하는지 그리고 이 구성 요소를 통해 시스템이 원하는 크기와 무게 내에서 필요한 성능을 달성할 수 있는지 여부를 이해할 수 있습니다. 메타렌즈가 전체 시스템에 통합됨에 따라 메타렌즈의 성능과 전체 광학 시스템 모두에 대한 기계적 응력과 열 부하의 영향을 모델링하는 것도 점점 더 중요해지고 있습니다.

메타렌즈에 대한 광학 시스템의 설계 워크플로우는 Ansys Optics 툴 간의 간소화된 데이터 교환 인터페이스에서 지원하는 몇 가지 단계를 따릅니다. 자세한 내용은 Small-Scale 메타렌즈와 Large-Scale 메타렌즈 에 대한 워크플로우들의 세부 정보를 읽어보십시오. 대규모 메타렌즈의 경우 시스템이 수백억 개의 메타 원자를 포함할 수 있으므로 워크플로우의 중요한 부분은 제조를 위해 메타렌즈 구조를 GDS 형식으로 효율적으로 내보내는 것입니다.

메타렌즈는 광범위한 응용 분야 및 산업에서 광학 설계를 변화시킬 잠재력을 지닌 혁신적인 첨단 기술을 나타냅니다. 메타렌즈 설계와 제작은 복잡하고 까다롭습니다. 훨씬 더 어려운 것은 메타렌즈가 광학 시스템 내부에서 어떻게 동작하는지 이해하는 것입니다. 제조 방법이 발전함에 따라 시뮬레이션도 이에 발맞춰야 합니다. 따라서 강력한 Multi-Scale 및 Multi-Physics 시뮬레이션 방법들은 현재와 미래의 메타렌즈 설계에 필수적입니다.

시뮬레이션은 앞으로 수년 간 이 첨단 기술을 활용할 능력을 실현할 수 있게 해줄 조력자입니다.