렌즈 1개로 기존 스마트폰 카메라 렌즈 광학 성능을?

하버드대학 출신 벤처기업인 메타렌즈(Metalenz)가 나노 기술을 이용해 기존 스마트폰용 렌즈를 넘는 광학 성능을 지니면서 카메라 모듈을 소형화하는 데에도 기여할 렌즈를 개발했다.

2007년 등장한 초대 아이폰은 200만 화소로 사진을 촬영할 수 있는 카메라를 탑재했다. 스마트폰 카메라 성능은 계속 향상됐고 2021년 1월 삼성전자가 발표한 갤럭시 S21 울트라는 1억 800만 화소에 달하는 고화질 사진을 촬영할 수 있는 카메라를 탑재했다. 하드웨어 뿐 아니라 명암 차이가 심한 장면에서 HDR 처리나 어두운 곳에서 노이즈 저감 처리 등 소프트웨어 측면 성능도 크게 향상됐다.

하지만 이처럼 스마트폰 카메라 이미지 센서와 소프트웨어 성능이 개선된 반면 렌즈 성능에 대해선 기술 혁신이 일어나지 않았다. 한 전문가는 스마트폰 광학계는 렌즈 맷후 추가와 비구면 렌즈 채용으로 세련되어 왔지만 지난 10년간 혁신은 없었으며 최근 스마트폰에 탑재한 렌즈 광학계는 4∼7매 렌즈로 이뤄져 있다고 말했다. 또 카메라에 담고 싶은 요소가 많을수록 필요한 공간도 커진다며 렌즈 기술 혁신 지연이 카메라 모듈 비대화에 영향을 주고 있다고 지적했다.

하버드대학에서 작은 구조체를 이용해 빛 굴절과 왜곡을 제어하는 기술인 옵티컬 메타서피스(optical metasurface)를 연구하던 로버트 데블린이 2017년 설립한 메타렌즈는 1×1mm에서 3×3mm 웨어퍼 상에 구축한 렌즈 1개로 기존 렌즈 여러 개로 이뤄진 시스템 이상 광학 성능을 갖게 하는데 성공했다.

메타렌즈가 개발한 렌즈는 수 나노미터 원형 나노 구조를 수백만 개 탑재하고 있다. 일반 곡면 렌즈는 빛을 가감속해 굴절시키지만 메타렌즈가 개발한 렌즈는 나노 구조 하나하나가 기존 렌즈처럼 빛을 굴절시키는 기능을 갖추고 있다. 또 다양한 직경 나노 구조를 결합해 곡면 렌즈를 여러 개 결합한 것과 마찬가지로 빛 수차와 이미지 왜곡을 보정할 수 있다고 설명한다.

메타렌즈가 개발한 렌즈는 렌즈 하나로 기존 렌즈를 이용한 카메라 시스템과 같은 화질 사진을 촬영할 수 있다. 따라서 카메라 모듈 크기를 작게 할 수 있다. 또 메타렌즈는 기존 렌즈보다 더 많은 빛을 이미지 센서에 전달해 밝은 사진을 촬영할 수 있다. 또 애플 얼굴 인증 기술인 페이스ID 등에 이용하는 3D센서는 대상을 스캔하기 위해 레이저를 조사할 때 많은 전력을 소비하지만 메타렌즈를 이용하면 레이저 출력을 억제할 수 있고 에너지 절약에도 도움이 된다는 설명이다.

메타렌즈는 이미 반도체 업체 2곳과 계약을 맺고 2021년 말까지 메타렌즈가 개발한 렌즈를 탑재한 카메라 모듈 생산에 나설 예정이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.