By JULIAN CHOKKATTU, WIRED US

2007년에 출시된 아이폰1에 장착된 카메라의 화소는 고작 200화소 밖에 되지 않았다. 그리고, 후면 카메라 하나만 탑재됐으며, 전면 셀프 카메라는 없었다. 오늘날 스마트폰의 전면과 후면에 다양한 카메라가 장착된 것을 볼 수 있다. 일부 제품의 카메라 센서는 갤럭시 S21 울트라의 1억 800만 초고화소 카메라 센서와 같이 높은 화소를 자랑한다.

그러나 지난 10년 사이에 스마트폰 카메라의 센서 크기와 화소가 상당히 발전했다. 컴퓨터 사진 소프트웨어가 향상한 것은 두말할 것도 없다. 그러나 사진 촬영에 도움을 주는 스마트폰 카메라 렌즈는 근본적으로 변하지 않았다.

2월 4일(현지 시각), 스텔스(stealth) 모드와 함께 급부상한 광학 기술 기업인 메타렌즈(Metalenz)가 광학 메타서페이스(optical metasurface)라는 기술을 사용하는 단일 플랫 렌즈 시스템으로 스마트폰 카메라에 극적인 변화를 일으키고자 한다. 스텔스 모드 렌즈를 중심으로 장착된 카메라는 기존 카메라보다 화질이 우수하지는 않지만, 똑같은 이미지를 생성한다. 또, 더 밝은 사진 촬영을 위해 많은 빛을 모으며, 더 적은 공간을 차지하면서 스마트폰에 새로운 형태의 감지 기능을 사용할 수 있도록 한다.

플랫 렌즈
어떤 원리로 작동할까? 우선, 오늘날 스마트폰 카메라의 작동 방식을 이해하는 것이 중요하다. 후면 카메라가 3개 장착된 아이폰12 프로와 같이 스마트폰 후면의 이미지 시스템은 여러 개의 카메라를 두고 있을 것이다. 그러나 각각의 카메라마다 렌즈가 여러 개 있거나 렌즈의 소자가 상단에 서로 겹쳐져 있다. 앞서 언급한 아이폰12 프로의 메인 카메라 센서는 렌즈 소자를 7개 두고 있다. 아이폰과 같이 많은 렌즈가 적용된 디자인은 단일 렌즈 설정보다 더 우수하다. 빛이 각각의 렌즈를 통과하기 때문에 이미지가 더욱 선명하고 구체적으로 재현된다.

고화질 렌즈로 유명한 광학 전문 기업 자이스(Zeiss)의 혁신 총괄 올리버 쉰들벡(Oliver Schindelbeck)은 “요즘 스마트폰에 적용되는 광학 렌즈는 일반적으로 2~4개의 렌즈 소자를 두고 있다. 만약, 렌즈 요소를 단 한 개만 두고 있다면, 단지 물리적인 것으로만 이미지 속의 왜곡이나 분산 등이 제대로 이루어지지 않는다”라고 말했다.

렌즈가 많을수록 제조 업체가 색채 이상(이미지 앞면에 색상이 나타날 때)과 렌즈 왜곡(사진에서 직선이 곡선처럼 보일 때)과 같은 불규칙한 현상을 보완할 수 있다. 그러나 렌즈 소자 여러 개를 겹쳐서 쌓아 두려면 카메라 모듈 내부에 더 많은 수직적인 공간이 필요하다. 이는 스마트폰 카메라 ‘범프’가 몇 년간 점점 더 커진 이유 중 하나이다.

쉰들벡 총괄도 “카메라에 더 많은 렌즈 소자를 두려고 할수록 더 많은 공간이 필요하다”라고 설명했다. 범프의 크기가 커진 또 다른 이유는 추가 줌 확장 기능이 필요한 줌 렌즈의 더 커진 이미지 센서와 더 많은 카메라 때문이다.
 
애플과 같은 스마트폰 제조사는 시간이 지날수록 렌즈 소자의 수를 늘렸다. 반면, 삼성 등 일부 제조사는 현재 더 큰 줌 기능을 지원하는 잠수경 렌즈를 만들고자 광학 장치를 접는다. 또, 여러 기업이 일반적으로 입증된 방식으로 렌즈 소자를 쌓는 시스템을 그대로 적용했다.

쉰들벡 총괄은 “광학은 갈수록 첨단화됐으며, 더 많은 소자를 추가한다. 그리고, 더 강력한 비구면 소자를 제작해, 공간을 줄였다. 그러나 지난 10년간 이와 관련된 혁신은 이루어지지 않았다”라고 말했다.

바로 이 부분에 메타렌즈가 뛰어들었다. 이미지 센서에 쌓은 플라스틱 렌즈와 유리 렌즈 소자를 사용하는 대신 1x1mm ~ 3x3mm 크기의 유리 웨이퍼에 내장된 단일 렌즈를 사용한다. 현미경으로 자세히 보면, 사람 머리카락의 1/1,000 수준으로 측정되는 나노 구조를 볼 수 있다. 나노 구조가 단일 렌즈 카메라 시스템의 여러 단점을 교정하는 방식으로 광선을 구부린다.

핵심 기술은 메타렌즈 공동 창립자 겸 CEO 로버트 데브린(Robert Devlin)이 하버드대학교에서 저명한 물리학자이자 또 다른 메타렌즈 공동 창립자인 페데리코 카파소(Federico Capasso)와 함께 박사학 과정을 밟고 있을 당시, 10년간의 연구를 통해 형성됐다. 메타렌즈는 2017년에 연구팀에서 분리됐다.

빛은 패턴화된 나노 구조를 통과한다. 이는 현미경 수준에서 지름이 다른 수백만 개의 원처럼 보인다. 델빈은 “커브드 렌즈가 속도를 높인 뒤 늦추는 방식으로 빛을 굴절시키면서 각각의 빛은 똑같은 작업을 할 수 있도록 한다. 따라서 우리는 원의 지름만 바꾸면서 빛을 굴절하고 형성할 수 있다”라고 설명했다.

결과적으로 이미지 화질은 여러 개의 렌즈가 장착된 시스템과 똑같이 선명하다. 또, 나노 구조가 기존 카메라에서 일반적으로 발생하는 이미지 저하 문제를 줄이거나 제거하는 역할을 한다. 그리고, 디자인 자체는 공간만 보존하지 않는다. 이와 관련, 델빈은 메타렌즈 카메라가 이미지 센서에서 더 많은 빛을 전달해, 기존 렌즈 소자보다 더 밝고 선명한 이미지를 구현한다고 말한다.

또 다른 장점은 무엇일까? 메타렌즈는 반도체 업계 선두 기업 두 곳과 협력 관계를 체결했다. (바로 현재, 하루에 메타렌즈 칩 100만 개를 생산할 수 있는 기업이다) 다시 말해, 광학 렌즈가 공급망 간소화에서 중요한 단계인 소비자 및 산업용 장치를 제조하는 생산 공장에서 제작된다.

새로운 센싱 형태 
메타렌즈는 2021년 말이면 카메라 렌즈 양산에 돌입할 예정이다. 첫 번째로 스마트폰의 3D센서의 렌즈 시스템 역할을 하는 식으로 적용될 것이다. (메타렌즈는 자사의 기술을 사용할 스마트폰 제조사의 이름을 밝히지 않았다.)

델빈은 애플의 트루뎁스 카메라나 페이스 아이디와 같은 현재의 3D 센서는 레이저로 화면을 적극적으로 비추어 얼굴을 스캔하지만, 스마트폰 배터리 수명 소모 문제를 일으킬 수 있다고 지적한다. 델빈은 메타렌즈는 이미지 센서에 더 많은 빛을 가져올 수 있어, 전력 소모를 줄이는 데 도움이 된다고 도움이 된다고 말한다.

또 다른 장점은 무엇일까? 델빈은 안면 인증을 위한 스마트폰 전면 카메라의 3D 센서에 메타렌즈 시스템이 적용된다면, 부피가 큰 카메라 노치가 현재의 아이폰처럼 화면에서 확장될 필요가 없다. 기존의 렌즈 소자를 포기해 확보한 공간 덕분에 더 많은 스마트폰 제조사가 스마트폰의 글래스 디스플레이 아래에 센서와 카메라를 장착할 수 있을 것이다. 이처럼 카메라 센서와 렌즈가 디스플레이에 내장된 제품이 2021년에 더 많이 등장할 것이다.

델빈은 메타렌즈의 시스템 적용 범위가 스마트폰을 넘어설 것이라고 말한다. 메타렌즈의 기술은 헬스케어 장비부터 AR, VR 카메라, 그리고 자동차에 장착된 카메라에도 적용될 수 있다.

분광학을 예시로 이야기해보자. 분광학은 다양한 파장의 빛을 정밀하게 감지하기 위한 목적으로 사용된다. 또, 혈액 속 특정 분자를 식별하기 위해 의학적인 분석에 사용된다. 데블린은 메타 표면이 광학 테이블 상판을 하나의 표면으로 압축할 수 있기 때문에 메타렌즈 시스템이 적용된 스마트폰에서 적절한 센서를 사용할 수 있다고 말한다.

델빈은 “분광계로 화학적 특성을 보고 완성도를 확인할 수 있다. 이제 더는 단순한 이미지가 아니다. 실제로 다양한 형태의 감각에 접근하고 세상을 보면서 상호작용하고, 스마트폰에 완전히 새로운 정보를 가져온다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
A New Lens Technology Is Primed to Jump-Start Phone Cameras