[첨단 헬로티]

한국기계연구원이 고해상도 이미징이 가능한 음향 메타렌즈 개발에 성공했다. 향후 초음파 지문인식, 근접장 음향현미경, 비파괴검사 등 생활 속 음향 이미징이 필요한 분야에 활용될 전망이다.

한국기계연구원 나노자연모사연구실 허신 책임연구원 연구팀은 특정 주파수를 갖는 두 음원을 메타렌즈에 통과시켜 회절한계*의 4배까지 이미징하는 데 성공했다. 물체의 형상정보를 전달하는 소멸파는 거리에 따라 급격히 사라지지만 메타렌즈에 통과시키면 내부에 공진터널링* 현상이 발생하면서 소멸되지 않고 이미징 할 수 있다.

* 회절한계(Diffraction Limit) - 음파의 회절한계는 이미징 장치의 공간 분해능 한계를 결정한다. 어떤 물체를 이미징하기 위해서는 물체의 크기가 이미징 주파수의 절반(λ/2) 이상이 되어야 한다. 그 이하가 되면 물체를 구분할 수 없으며 이때 회절한계를 넘어섰다고 한다.

* 공진터널링(Resonant Tunneling) - 공진터널링은 음향 메타 구조체의 터널구조 안으로 특정 음파가 들어올 때 그 음파 고유의 공진 주파수와 터널 내부의 공진 주파수가 일치할 경우 음파가 에너지의 손실없이 음향 메타 구조체의 터널을 통과하는 현상을 의미한다.

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

▲ 서브파장 이미징 음향 메타렌즈의 작동원리

이번에 개발된 음향 메타렌즈 기술은 초음파 지문인식에 적용할 수 있는 핵심 원천기술이다. 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 투과특성 덕분에 지문인식에 필요한  전력소모도 줄일 수 있다.

▲서브파장 이미징을 위한 음향 메타렌즈 및 실험장치

음향 메타렌즈의 1차 및 2차 공진터널링 주파수를 이용해 서브파장 이미징*에 성공한 것은 이번이 처음이다.

* 서브파장 이미징(Subwavelength Imaging) - 일반적으로 회절한계 이하의 크기를 갖는 물체는 이미징할 수 없다. 하지만 특정한 이미징 주파수를 갖는 초음파가 음향메타 구조체를 통과하여 종양을 이미징할 경우에는 회절한계를 극복하고 이미징이 가능하다. 이를 서브파장 이미징이라고 한다.

기존의 음향메타 이미징 기술은 필요한 이미징 주파수에 따라 렌즈의 두께를 다르게 만들어야 했지만, 이 기술을 활용하면 개발된 음향 메타렌즈의 두께를 다르게 할 필요가 없다. 그리고 복잡한 구조물이지만 3D프린팅 기술로 제작하면 제작비용도 크게 절감할 수 있다.

이번 연구결과는 지난 10월 19일 Scientific Reports 온라인에 ‘In-depth study on resonant tunneling for subwavelength imaging(서브파장 이미징을 위한 음향 메타렌즈의 멀티 공진터널링 모드에 관한 연구)’이라는 제목으로 게재됐다.