한양대학교 정해준 교수 연구팀의 융합전자공학부 4학년 김동현 학부연구생이 단독 제1저자로 수행한 연구가 나노포토닉스 분야 국제학술지 『Nanophotonics』에 게재됐으며, 해당 연구가 저널의 커버 Feature로 선정됐다. 학부생이 연구의 제1저자로서 차세대 이미지센서의 핵심 난제를 다룬 연구를 주도하고, 국제학술지 게재에 이어 커버 Feature까지 선정됐다는 점에서 의미가 크다.

게재된 논문은 “Suppressing Stitching Errors in Full-Sensor-Plane Color Routers via Optical Structural Similarity”로, 기존 CMOS 이미지센서의 컬러필터를 대체할 차세대 기술로 주목받는 나노포토닉 컬러 라우터(Color Router)를 실제 센서 전체 면적으로 확장하기 위한 새로운 역설계(Inverse Design) 기술을 제안했다. 기존 컬러필터는 특정 파장의 빛을 흡수해 색을 구분하기 때문에 상당량의 입사광을 소실하는 반면, 컬러 라우터는 서로 다른 파장의 빛을 각 광검출기로 직접 전달함으로써 이미지센서의 광효율을 근본적으로 향상시킬 수 있는 기술이다.

특히 기존 나노포토닉 컬러 라우터 연구의 상당수는 수직으로 입사하는 빛에 최적화돼 있어, 카메라 주변부와 같이 빛이 비스듬히 입사하는 환경에서는 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다. 실제로 논문에서는 기존 수직입사 최적화 구조의 효율이 약 6도만 기울어져도 최대 성능의 절반 수준까지 감소할 수 있음을 제시했다. 이는 넓은 화각을 갖는 실제 카메라 센서로 기술을 확장하는 데 중요한 장애물이다.

김동현 학생은 이를 해결하기 위해 센서 전체 영역을 빛의 입사각에 따라 세분화하고, 각 영역에 최적화된 나노구조를 설계하는 동시에 서로 다른 구조를 연결할 때 발생하는 성능 저하를 억제하는 ‘광학적 구조 유사도(Optical Structural Similarity, OSS)’ 기반 역설계 방법을 제안했다. OSS는 인접한 나노구조 사이의 유전율 분포가 급격하게 변하지 않도록 설계 과정에서 구조적 연속성을 부여하는 방식으로, 추가적인 전자기파 시뮬레이션 없이도 기존 adjoint 기반 위상최적화에 직접 적용할 수 있다는 장점을 갖는다.

연구팀은 3차원 자유형상 컬러 라우터에서 적색·녹색·청색에 대해 각각 평균 91.1%, 80.9%, 83.9%의 높은 광효율을 달성하는 동시에 색 간 광학적 크로스토크를 2% 이하로 억제했다. 더욱 주목할 만한 점은 서로 독립적으로 설계된 나노구조를 연결할 때 24.6%에 달했던 stitching error를 5.99%까지, 약 76% 감소시켰다는 것이다. 또한 보다 실제 제작에 가까운 5층 구조에서도 5.65% 수준의 stitching error를 구현해 제안 기술의 확장 가능성을 확인했다.

이번 연구는 단순히 하나의 고성능 나노소자를 설계하는 데 그치지 않고, 역설계된 나노포토닉 소자를 실제 이미지센서와 같은 대면적 시스템으로 확장할 때 발생하는 ‘소자 간 경계 문제’를 직접 다뤘다는 점에서 의미가 있다. 연구에서 제안한 OSS 개념은 컬러 라우터뿐 아니라 위치에 따라 서로 다른 광학 기능을 수행해야 하는 대면적 메타표면 및 차세대 나노광학 소자의 설계에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 논문에서도 이를 공간적으로 변화하는 기능을 갖는 large-area metasurface를 위한 일반적인 설계 원리로 제시하고 있다.

특히 이번 성과는 학부생인 김동현 학생이 단독 제1저자로 연구를 주도해 국제학술지 논문으로 완성하고, 해당 연구가 저널의 커버 Feature로까지 선정됐다는 점에서 더욱 주목된다. 학부 단계에서 차세대 이미지센서와 나노포토닉스 분야의 실제 연구 난제를 발굴하고, 대규모 전자기 시뮬레이션과 역설계 알고리즘을 활용해 독창적인 해결책을 제시했다는 점에서 우수한 학부 연구 성과로 평가할 수 있다. 김동현 학부연구생은 이러한 우수한 성과를 바탕으로 MIT 방문 학생 신분으로 연구를 이어갈 예정이다.