기계연, 음향 메타렌즈 개발로 회절한계 4배 극복

- 음향 이미징 장치의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 원천기술 개발 -
- 초음파 지문인식, 음향 현미경 등 생체인식 시장 활용 기대 -

한국기계연구원(원장 박천홍)이 핀테크 기술의 확산 등 생체인식 기술이 활발히 이용되고 있는 가운데 고해상도 이미징이 가능한 음향 메타렌즈 개발에 성공했다. 향후 초음파 지문인식, 근접장 음향현미경, 비파괴검사 등 생활 속 음향 이미징이 필요한 분야에 활용될 전망이다.

기계연 나노자연모사연구실 허신 책임연구원 연구팀은 특정 주파수를 갖는 두 음원을 메타렌즈에 통과시켜 회절한계1)의 4배까지 이미징하는데 성공했다. 물체의 형상정보를 전달하는 소멸파는 거리에 따라 급격히 사라지지만 메타렌즈에 통과시키면 내부에 공진터널링2) 현상이 발생하면서 소멸되지 않고 이미징 할 수 있다.

현재 스마트폰 지문인식에는 지문패턴에 따른 정전용량의 변화를 감지하여 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 투과특성 덕분에 지문인식에 필요한  전력소모도 줄일 수 있다.

▲ 서브파장 이미징 음향 메타렌즈의 작동원리

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 이미징3)에 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.

모든 음파는 임의의 물체에 반사되면 파장이 점점 감쇠하는 소멸파가 생긴다. 이를 음향 메타렌즈에 통과시키면 메타구조에서 발생하는 독특한 공진터널링 현상으로 소멸파의 에너지를 거의 손실 없이 완전히 투과시킨다. 메타렌즈 내부는 다수의 공진터널링 주파수가 발생하지만 지금까지는 모두 1차 공진현상을 이용하는 수준에 머물러왔다.

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. 그리고 복잡한 구조물이지만 3D프린팅 기술로 제작하면 제작비용도 크게 절감할 수 있다.

▲ 서브파장 이미징을 위한 음향 메타렌즈 및 실험장치

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 파동에너지극한제어연구단 (단장 이학주)의 지원을 받아 수행됐으며 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.

기계연 허신 책임연구원은 “음향 메타렌즈는 근접한 거리에서 이미징이 필요한 초음파 지문인식, 근접장 음향현미경, 생체 이미징, 비파괴검사 기술 등에 활용이 가능하다”며 “우리 생활에 많이 쓰이고 있는 음향 이미징 장치의 성능을 크게 향상시켜 신뢰성을 높일 수 있는 기술”이라고 말했다.

▲  음향 메타렌즈 실험장치를 살펴보는 연구진

*용어설명

1. 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. 예를 들어 이미징 주파수 1 ㎑의 파장(λ·남다)이 약 30 ㎝라면, 15 ㎝(λ/2)보다 작은 물체는 회절한계 이하이기 때문에 이미징이 불가능하다. 

2. 공진터널링 (Resonant Tunneling)

공진은 외부의 에너지 없이도 고유의 주파수와 특정 주파수가 만나 파장이 증폭되는 현상이다. 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.

3. 서브파장 이미징 (Subwavelength Imaging)

일반적으로 회절한계 이하의 크기를 갖는 물체는 이미징할 수 없다. 예를 들어 특정한 이미징 주파수를 갖는 초음파로 우리 몸 속의 종양을 찾을 때 이미징 주파수 파장의 절반 이하 크기를 갖는다면 이미징할 수 없다. 때문에 초음파 화면으로는 어떤 이미지도 구별할 수 없다. 하지만 특정한 이미징 주파수를 갖는 초음파가 음향메타 구조체를 통과하여 종양을 이미징할 경우에는 회절한계를 극복하고 이미징이 가능하다. 이를 서브파장 이미징이라고 한다.