기계硏, 음향 메타렌즈 개발로 회절한계 4배 극복

[이데일리 이연호 기자] 한국기계연구원은 핀테크 기술의 확산 등 생체인식 기술이 활발히 이용되고 있는 가운데 고해상도 이미징이 가능한 음향 메타렌즈 개발에 성공했다고 22일 밝혔다. 향후 초음파 지문인식, 근접장 음향현미경, 비파괴검사 등 생활 속 음향 이미징이 필요한 분야에 활용될 전망이다.

서브파장 이미징을 위한 음향 메타물질 렌즈 및 실험장치. 한국기계연구원 나노자연모사연구실 허신 책임연구원은 3D프린팅으로 제조한 서브파장 이미징 음향메타물질 렌즈(왼쪽)를 개발하고 실험장치 셋업(오른쪽 그림)을 이용해 회절한계를 극복하는 서브파장 이미징 실험을 수행했다. 사진=한국기계연구원.

기계연 나노자연모사연구실 허신 책임연구원 연구팀은 특정 주파수를 갖는 두 음원을 메타렌즈에 통과시켜 회절한계의 4배까지 이미징하는데 성공했다. 물체의 형상정보를 전달하는 소멸파는 거리에 따라 급격히 사라지지만 메타렌즈에 통과시키면 내부에 공진터널링 현상이 발생하면서 소멸되지 않고 이미징 할 수 있다.

현재 스마트폰 지문인식에는 지문패턴에 따른 정전용량의 변화를 감지해 이를 이미징하는 정전용량방식이 주로 쓰이고 있다. 하지만 최근에는 지문복사 등으로 해킹 위험이 제기되고 있어 미국 등 선진국을 중심으로 더욱 보안성이 높은 초음파를 이용한 지문인식 기술 개발이 활발히 이뤄지고 있다.

이번에 개발된 음향 메타렌즈 기술은 초음파 지문인식에 적용할 수 있는 핵심원천기술이다. 연구팀의 독창적인 설계가 적용된 음향 메타렌즈를 스마트폰 지문인식 기술에 적용하면 이미징 해상도를 4배 향상시킬 수 있다.

지문인식 해상도를 높이면 지문의 패턴을 더 자세히 이미징할 수 있어 더 강력한 보안이 가능하고 음파의 우수한 투과 특성 덕분에 지문인식에 필요한 전력소모도 줄일 수 있다.

연구팀은 음향 메타렌즈 내부에서 1차 및 2차의 공진터널링 현상이 발생하는 것을 규명하고 이를 이용해 회절한계를 4배 뛰어넘는 이미지 측정에 성공했다. 음향 메타렌즈의 1차 및 2차 공진터널링 주파수를 이용해 서브파장 이미징에 성공한 것은 이번이 처음이다. 또 마치 광학현미경을 사용할 때 렌즈배율을 높여 물체를 확대 관찰하듯이 필요에 따라 1차 및 2차의 다른 공진터널링 현상을 이용해 이미지의 해상도를 높여 관찰할 수 있다.

기존의 음향메타 이미징기술은 필요한 이미징 주파수에 따라 렌즈의 두께를 다르게 만들어야 했지만 이 기술을 활용하면 개발된 음향 메타렌즈의 두께를 다르게 할 필요가 없다. 또 1차 및 2차 공진터널링 현상을 이용해 현미경의 렌즈배율을 높이듯 물체를 한층 고해상도로 확대 관찰할 수도 있다. 복잡한 구조물이지만 3D프린팅 기술로 제작하면 제작비용도 크게 절감할 수 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행됐으며 연구결과는 지난달 19일 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 온라인에 ‘서브파장 이미징을 위한 음향 메타렌즈의 멀티 공진터널링 모드에 관한 연구(In-depth study on resonant tunneling for subwavelength imaging)’이라는 제목으로 게재됐다.