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.