마이크로 광학이란?

마이크로 광학 구성 요소는 1마이크로미터에서 1밀리미터 크기(시스템에 따라 측면 크기 또는 직경 기준)의 미세한 광학 구성 요소입니다. 이 분야는 포토닉스와 밀접한 관련이 있으며, 소형화된 시스템을 이용하여 작은 스케일에서 빛을 조작, 투과 및 제어합니다.

오늘날에는 다양한 마이크로 광학 시스템이 존재하며, 대부분 유리 및 폴리머와 같은 기존 광학 재료를 사용하여 제작되는 부피가 큰 광학 시스템의 소형 버전입니다. 그러나 일부 마이크로 광학 시스템은 리소그래피 제작 반도체 재료를 사용하는 적외선 응용 분야에도 사용됩니다.

오늘날의 마이크로 광학 시스템은 규모만 훨씬 더 작아졌을 뿐, 대규모 광학 시스템의 많은 기본 원리와 광학 기능을 그대로 사용합니다. 여기에는 다양한 광파장의 굴절, 회절 및 반사가 포함됩니다. 마이크로 광학의 규모가 작을수록 광학 수차를 유발하는 경우가 있지만, 시스템 소형화의 전반적인 이점으로 인해 마이크로 광학은 많은 첨단 기술 응용 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다.

다양한 유형의 마이크로 광학이 존재하며, 대다수는 규모만 훨씬 더 작아진 형태로 렌즈, 거울, 프리즘, 회절 격자 및 조리개를 포함한 기존 광학 구성 요소와 유사한 방식으로 제작됩니다. 다음은 오늘날 사용되는 일반적인 마이크로 광학 구성 요소 중 일부입니다.

마이크로렌즈

마이크로렌즈는 직경이 밀리미터, 센티미터 또는 그보다 더 큰 규모가 아닌 마크론 단위인 초소형 렌즈입니다. 최근 몇 년 동안 마이크로렌즈 기술 분야에서 최고의 발전 성과 중 하나는 Gradient Index(GRIN) 렌즈입니다. GRIN 렌즈는 소재도 다르고 굴절률도 각기 다른 여러 표면을 가집니다. 렌즈의 여러 층은 각 층의 굴절률 변화를 이용하여 빛을 굴절시키고, 이 굴절률 변화는 주기적으로 빛을 다음 층으로 굴절시킵니다. GRIN 렌즈는 또한 마이크로렌즈 표면에 격자를 배치하여 회절 광학 요소를 통합하기 시작했습니다. 그러나 이는 기존 GRIN 렌즈가 아니며 메타렌즈와 더 유사합니다. 마이크로렌즈의 또 다른 대표적 유형은 마이크로프레넬 렌즈로, 굴절을 이용하여 빛을 모으기 위해 일련의 동심원 곡면을 사용합니다.

마이크로렌즈 어레이

마이크로렌즈 어레이(렌즐릿 어레이라고도 함)는 특정 패턴으로 제작되고 정렬되는 일련의 작은 렌즈(렌즐릿)입니다. 주로 격자 또는 주기적 패턴 같은 특정 패턴으로 배열되어 조작, 포커싱 또는 방향 지정과 같은 다양한 기능을 수행합니다. 마이크로렌즈 어레이는 의도된 기능 및 작동 원리에 따라 굴절 마이크로렌즈 어레이 및 회절 마이크로렌즈 어레이로 제작될 수도 있습니다.

광섬유

광섬유는 일상적인 통신 분야에서 빛을 투과하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 마이크로 스케일의 코어 직경을 가진 광섬유는 마이크로 광학 시스템으로 간주됩니다. 초소형 직경의 이러한 섬유는 광섬유 케이블에서 장거리로 빛(데이터 포함)을 투과하기 위해 모여 있습니다. 광섬유는 굴절률이 낮은 코어와 굴절률이 높은 클래딩을 가지고 있으며, 외부는 보호 코팅이 되어 있습니다. 굴절률이 높을수록 빛이 코어 내부로 반사되어 의도된 목적지에 도달하며 투과 중에 섬유에 손실이 발생하지 않게 됩니다. 이러한 반사 원리를 TIR(Total Internal Reflection, 내부 전반사)이라고 합니다. 이 원리는 장거리로 빛을 전달하는 데 사용될 뿐만 아니라, 광섬유에서 제어된 방식으로 빛이 새어 나오는 현상은 자동차, 항공기, 선박, 나이트클럽 등에서 주변 조명 효과를 내는 데에도 사용됩니다.

마이크로프리즘

마이크로프리즘은 고체 유리로 제작된 광학 프리즘의 소형 버전이며 빛을 회전, 변위 및 분산할 수 있는 특정 지오메트리를 가지고 있습니다. 마이크로프리즘은 기존 광학 프리즘의 소형 버전이지만 주로 빛을 유도하는 데 사용되며 광섬유 통신에서 광학 스위치로 많이 사용되었습니다.

마이크로미러

마이크로미러는 대형 미러의 소형 버전이며 동일한 기본 반사 원리를 사용하여 작동합니다. 마이크로미러는 기존 거울과 마찬가지로 표면에 유전체 또는 금속 다층 구조로 제작된 반사 코팅 처리가 되어 있어 훨씬 작은 규모로 빛을 반사합니다. 작동 중에 위치를 정밀하게 조정할 수 있는 소규모 액추에이터와 결합되는 경우가 많습니다. MEMS(Microelectromechanical System) 장치는 마이크로미러 시스템의 한 예입니다. MEMS는 많은 구성 요소를 포함할 수 있지만, 일반적인 MEMS 아키텍처는 일련의 마이크로미러이며, 각 마이크로미러는 함께 또는 독립적으로 각도를 빠르게 변경할 수 있습니다.

마이크로 광학의 이점

마이크로 광학 구성 요소에는 여러 종류가 있으며, 각각 특정 용도에 맞는 고유한 장점을 가지고 있지만, 가장 큰 장점은 크기가 작다는 것입니다. 또한 크기가 작기 때문에 더 가볍고 부피가 더 작은 광학 장치를 만들 수 있는 점 등 여러 가지 부가적인 이점이 있습니다. 특히 기존의 다중 대역폭 광학 시스템은 커서 번거롭기 때문입니다. 이는 또한 더 적은 재료를 사용하고 더 낮은 비용으로 마이크로일렉트로닉스(Microelectronics) 및 옵토일렉트로닉스(Optoelectronics)용 첨단 광학 구성 요소를 개발할 수 있음을 의미합니다.

소규모 마이크로 광학 구성 요소는 이러한 렌즈가 첨단 수술용 내시경이나 로봇 수술과 같은 새로운 응용 분야에 활용될 수 있는 가능성을 열어주고 있으며, 이를 통해 사용자는 점도와 투명도가 다른 다양한 종류의 유체를 투과하여 볼 수 있습니다.

마이크로 광학 구성 요소는 성능을 개선하고 기존 광학 장치의 크기를 줄이며, 렌즈 및 기타 광학 구성 요소가 새로운 응용 분야에 활용될 수 있는 가능성을 열어주고, 기존 기술을 첨단 시스템으로 대체하는 데 도움이 됩니다. 다음은 몇 가지 일반적인 용도입니다.

사진 측량

사진 측량은 라이다(LiDAR) 감지와 유사한 프로세스이지만 카메라를 사용한다는 점이 다릅니다. 사진 측량은 사진을 사용하여 물체와 환경을 재구성하는 방법입니다. 지상과 공중에서 카메라를 사용하여 다양한 각도에서 사진을 촬영하고 첨단 소프트웨어 알고리즘을 처리하고 결합하여 지형 지도와 3D 모델을 만듭니다.

사진 측량은 훨씬 더 큰 규모의 매핑을 가능하게 해주며 컴퓨터를 사용하여 자동으로 수행할 수 있습니다. 사진 측량은 카메라 주변의 수백만 개의 지점을 측정하고 이러한 각 지점까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 사진 측량은 라이다보다 정확하며 이러한 거리를 수동적으로 감지할 수 있는 반면, 라이다는 광선을 보내고 비행 시간을 계산해야 합니다. 렌즐릿 어레이는 사진 측량 응용 분야에서 광장 이미징(LFI) 카메라 형태로 사용되고 있습니다. 이러한 카메라는 각각의 렌즈가 특정 거리만큼 떨어져 배치되어 있고, 주변 환경을 측정할 수 있는 고유한 시야각을 가지고 있기 때문에 물리적으로 움직일 필요가 없습니다.

드론 및 자율주행 자동차

드론과 기타 무인 차량은 무겁기 때문에 구성 요소의 크기와 무게를 줄여야 합니다. 광학 구성 요소가 무게에서 차지하는 비중은 적지만 드론이 작아지면 이미징 시스템과 모니터링 기술도 축소될 수 있습니다. 기존 광학 시스템 소형화 외에도 드론 및 기타 자율주행 자동차를 사진 측량 시스템과 통합할 수 있습니다.

사진 측량 시스템을 탑재한 드론은 한 시간 이내에 현장을 비행하며 측량할 수 있습니다. 반면 수작업 방식은 동일한 작업에 두세 명을 며칠 동안 투입해야 합니다. 카메라가 움직이지 않고도 여러 시야를 확보할 수 있기 때문에 오늘날 자율주행 자동차에 사용되는 라이다 시스템을 잠재적으로 대체할 수 있습니다.

생물 의학 응용 분야

의료 기기 중에서도 특히 체내에 삽입되는 기기는 크기가 작아야 합니다. 마이크로 광학은 다양한 의료 기기 및 수술 도구의 광학 요소를 소형화하는 데 도움이 됩니다.

가장 큰 응용 분야 중 하나는 내시경의 성능을 개선하고 렌즈 크기를 줄이는 것입니다. 이제 마이크로 광학 기술 덕분에 내시경에서 다중 파장 기능을 활용할 수 있으며, 이를 통해 외과의사는 혈액과 물을 포함한 다양한 유체를 투과하여 볼 수 있게 되었습니다. 과거에는 내시경에 이러한 기능을 제공하는 데 필요한 모든 광학 구성 요소를 포함하는 것이 너무 번거로웠습니다. 그러나 마이크로 광학 시스템이 개발되면서 광학 구성 요소 요구 사항을 수술에서 가능한 수준으로 소형화할 수 있게 되었습니다.

수술 절차에서 로봇 수술 장비는 혈액은 투과하지만 물은 투과하지 못하는 레이저 혹은 그 반대의 특성을 가진 레이저와 같이 다양한 파장의 레이저를 시스템 내에 포함할 수 있습니다. 따라서 외과의사는 다른 조직의 손상을 방지하면서 관심 있는 특정 조직을 정확히 겨냥할 수 있습니다.

조명 조작 장치

마이크로렌즈는 또한 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 레이저 다이오드 및 PIC(포토닉 집적 회로) 칩의 도파관과 같은 작은 발광 장치에서 빛을 시준하고 초점을 맞추는 데에도 사용될 수 있습니다. 마이크로 광학은 이상적인 특성에서 벗어난 빛을 교정하고, 빛의 밝기를 개선하며, 여러 광섬유의 빛을 결합할 수 있습니다. 또한 빔 스플리터 및 편광기에 마이크로 광학을 사용하여 레이저 빔을 편광 구성 요소로 분할할 수 있습니다.

위상 배열 안테나는 다양한 플랫폼과 패키지에 통합되어 특정 방향으로 에너지를 최대화하는 데 사용될 수 있습니다. 위의 애니메이션은 HFSS 소프트웨어로 구현된 동적 빔 조향 애니메이션이며, 안테나가 호스트 패키지의 다른 부분에 유도하는 전류도 보여줍니다.

소규모의 마이크로 광학은 설계 및 제작에 어려움이 있습니다. 제작 방법 선택부터 조리개 크기가 제한 요소가 될 가능성까지, 마이크로 광학 시스템을 설계할 때 엔지니어는 많은 부분을 고려해야 합니다.

마이크로 광학 시스템 제작

작은 규모와 고성능을 추구한다면 고정밀도의 제작 기법이 필요합니다. 마이크로 광학 시스템을 고품질로 제작하지 않으면 전체 시스템의 성능이 저하됩니다. 이 때문에 다음과 같은 다양한 첨단 제조 방법이 사용됩니다.

• 포토레지스트 리플로우: 포토레지스트가 작은 원형 또는 구형 영역에 침전됩니다. 장치는 포토레지스트가 녹아 기판 표면을 따라 흐르는 임계 온도까지 가열됩니다. 이는 광전자 칩에 모서리가 둥근 마이크로렌즈를 만드는 데 사용되는 경우가 많습니다.
• 복제 기법: 이는 부피가 큰 광학 시스템과 함께 사용되는 제조 기법이지만 마이크로 광학 제작에도 적용할 수 있습니다. 여기에는 사출 성형, 자외선(UV) 주조 및 고온 엠보싱이 포함됩니다.
• 마이크로 접촉 프린팅: 광학적으로 투명한 매끄러운 곡면을 제작하는 데 사용되는 연성 리소그래피 프로세스입니다. 연성 재료와 함께 사용되며 더 유연한 기판 층을 제작하는 데 사용되는 경우가 많습니다.
• 웨이퍼 기반 리소그래피: 기존의 반도체 리소그래피 기법으로, 적외선 응용 분야를 위한 반도체 기반 마이크로 광학 시스템을 만드는 데 사용됩니다.

유체가 마이크로 광학 시스템과 상호 작용하는 방식 모델링

내시경과 같은 수술 응용 분야의 엔지니어는 체액이 광학 구성 요소와 어떻게 상호 작용하는지, 빛이 다양한 체액을 통해 어떻게 전파되는지 보여주어야 합니다. 따라서 유체, 광학 시스템 및 전체 시스템 전반의 광선 트레이스를 모델링해야 합니다. Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 이러한 상호 작용을 모델링할 수 있습니다.

기계적 문제

마이크로 렌즈도 일반 렌즈와 마찬가지로 장착이 필요합니다. 렌즈 장착 시 진동이 발생하여 광학 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 또한 렌즈를 장착하는 과정에서 복굴절이 발생하여 마이크로 렌즈의 광학 특성에도 영향을 줄 수 있습니다. 마이크로 광학 시스템에 영향을 줄 수 있는 물리적 요소는 Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석 소프트웨어로 모델링할 수 있습니다.

열 문제

열 문제는 다양한 방식으로 마이크로 광학 시스템에 영향을 줄 수 있습니다. 열은 구성 요소의 팽창과 수축을 유발하여 유리의 구조적 변형, 특히 유리가 울퉁불퉁해지는 현상을 초래할 수 있습니다. 유리의 굴절률은 온도에 따라 달라지며, 유리의 온도에 따라 렌즈를 통과하는 빛/레이저 에너지를 흡수하는 정도가 달라집니다. 따라서 고성능 광학 시스템을 만들려면 열 효과를 모델링하는 것이 중요하며, Ansys Thermal Desktop 열 중심 모델링 소프트웨어와 기계 소프트웨어를 사용하면 가능합니다.

마이크로 광학 시스템의 광학 특성 시뮬레이션

Ansys Lumerical 소프트웨어, Ansys Zemax OpticStudio 광학 시스템 설계 및 분석 소프트웨어, Ansys Speos CAD 통합 광학 및 조명 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 광학 시스템을 다양한 규모로 시뮬레이션할 수 있습니다. Lumerical은 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 및 quantum well 솔버를 사용하여 메타렌즈, 개별 기판 층 및 광학 코팅 시뮬레이션과 같은 매우 작은 규모의 광학 시스템을 시뮬레이션합니다. 다음으로 규모가 큰 소프트웨어는 OpticStudio 소프트웨어로, 전체 마이크로 광학 시스템을 개별 시스템으로 모델링합니다. Speos 소프트웨어는 가장 큰 규모의 시뮬레이터로, 마이크로 광학 구성 요소가 차량과 같은 더 광범위한 애플리케이션 시스템에 어떻게 통합되는지 살펴봅니다.

마이크로 광학 시스템의 다양한 측면을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 도구는 많지만 마이크로 광학 설계 문제를 해결하려면 여러 도구를 함께 활용해야 합니다. 단일 도구가 여러 필수 요소를 자체적으로 모두 시뮬레이션할 수는 없기 때문입니다.

마이크로 광학은 계속 발전하면서 더 작아지고 더 가벼워지며 더 발전할 것입니다. GRIN 렌즈는 역대 최고의 개발 성과 중 하나였지만, 미래에는 메타렌즈와 Co-packaged Optics 시스템이 부상하게 될 가능성이 높습니다. 메타렌즈는 매우 얇고 평평한 나노스케일 렌즈에 회절 광학 시스템과 일반 광학 시스템을 조합한 것이며, Co-packaged Optics 시스템은 마이크로 광학 시스템 및 전자 요소를 동일한 칩에 통합할 수 있는 첨단 시스템입니다. 또한 양자 컴퓨팅은 마이크로 광학 시스템을 사용하는 차세대 주요 응용 분야가 될 것으로도 여겨집니다.

보다 효율적인 고성능 마이크로 광학 시스템을 설계하고 새로운 응용 분야를 개척하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 지금 당사 기술 팀에 문의하십시오.

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