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증강 현실(AR)과 가상 현실(VR)에서 포토닉 디바이스에 대한 수요가 증가함에 따라 효율적이고 소형화된 부품에 대한 필요성이 더욱 절실해지고 있습니다. 현재 주목받고 있는 두가지 구성 요소는 메타렌즈와 광학 컴바이너로, 차량용 LIDAR 및 카메라부터 AR/VR 시스템에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 필수적인 요소입니다. 그러나 성능의 저하 없이 이러한 부품의 대량 생산을 지원하는 것은 어려운 일입니다.
Understanding Manufacturing-Aware Metalenses
제조 가능한 메타렌즈 이해하기
Flat optics 라고도 하는 메타렌즈는 전통적인 집적 회로 제조 기술을 사용하여 대량 생산 High Volume Manufacturing (HVM) 으로 전환되어지고 있습니다. 메타렌즈는 meta-atom으로 구성된 metasurface로 제작됩니다. Meta-atom은 약 0.5 ~ 3μm 이상의 두께를 가진 고굴절률 필름에 내장된 서브파장 유닛 셀입니다. Metasurface는 초점 렌즈, 스플리터, 도파관 또는 다른 광학 기능을 제공하는 데에 사용될 수 있습니다.
이미징 시스템을 혁신할 수 있는 잠재력을 지닌 Metalens는 광학 분야에서 많은 관심을 받고 있습니다. 그러나 마스크 제조 (mask manufacturing), 모서리 라운딩 (corner rounding), 에칭 (etching), 필렛 (fillet), 레이아웃 생성 (layout generation), 기판 평탄도 (substrate flatness) 영향 등의 문제로 인해 대량으로 설계하고 제조하기가 어렵습니다. 포토 리소그래피 및 에칭 공정은 종종 모서리와 수직 측벽 등 원하는 결과를 얻지 못합니다. 이러한 결함은 metasurface 성능 지표에 부정적인 영향을 미칩니다.
메타렌즈 최적화를 위한 "제조 가능" 설계 접근 방식을 활용하면 설계자가 제조에서 겪는 어려움을 극복하는 데에 도움이 됩니다. 이 방식은 Synopsys의 광학 설계 솔루션 (RSoft Photonic Device Tools)과 제조 공정 설계 소프트웨어 (Synopsys Proteus, S-Litho, 그리고 Sentaurus Process Explorer)의 고급 기술을 함께 활용하여 제작된 메타렌즈가 특정 제조 기술에 대한 최적의 성능에 더 근접한것을 보장합니다.
Synopsys의 솔루션은 제작을 위해 광학 설계에서 설계 규칙을 구현하고 설계 주기를 단축하며 처음부터 올바른 메타렌즈 설계를 제작할 수 있도록 도움을 줍니다.
그림 1. 제작의 한계를 포함한 Metalens Design Flow. 설계자의 meta-atom 세트는 제작 과정에서 시뮬레이션 되어 '제조 가능한' meta-atom 라이브러리를 생성합니다. 그런 다음 meta-atom 라이브러리를 사용하여 제조 성능이 향상된 메타렌즈를 개발합니다.
Addressing Similar Challenges in AR/VR Devices
AR/VR에서의 유사 과제 해결
제작상의 어려움은 메타렌즈에만 국한된 문제가 아닙니다. AR/VR 도파관 컴바이너 (waveguide combiner) 에서 surface relieve grating을 저비용으로 고정밀하게 제작하는 것은 대량 생산에 적합한 디바이스를 구현하는 데 있어 중요한 단계 중 하나입니다.
Surface Relief Grating (SRG)는 마이크로미터 규모의 특징을 가지고 있으며 제작 과정에서 발생하는 표면 필렛 (surface fillet), 에칭 (etching) 및 거칠기 (roughness)에 민감합니다. 광학 컴바이너의 경우 핵심 파라미터는 SRG의 공간 회절 효율을 신중하게 제어하는 것입니다.
SRG의 형상 편차는 회절 효율의 변화로 이어지며, 최적화 초기 단계에서 이러한 변화를 무시하면 아이박스에서 빛의 균일성으로 광학 컴바이너의 목표 성능에 수렴하기 위한 여러 설계 루프가 생성됩니다. 광학 컴바이너에 대한 "제조 인식" 최적화 흐름을 갖추면 SRG의 제조 결함이 부품 특성의 일부가 되므로 설계의 최종 성능과 견고성에 도움이 될 것입니다.
Synopsys는 그림 2와 같이 설계자가 최적화의 초기 단계에서 SRG의 제조된 프로파일을 통합할 수 있는 완전한 설계 흐름을 제공합니다. 광학 컴바이너의 최적화는 아이박스의 조도 균일성과 화질 및 색상 정의에 대한 필수 사항을 충족하기 위해 수행됩니다.
그림 2: 제조된 SRG 프로파일을 초기 포인트로 사용한 올바른 첫번째 설계 접근 방식 모식도
Conclusion
결론
특히 메타렌즈와 AR/VR의 광학 설계의 경우, 제작에 대한 인식을 광학 설계에 통합하면 견고하고 효율적인 광학 설계에 도움이 됩니다. 위 시스템에 대한 제조 공정의 영향을 이해하고 시뮬레이션함으로써 설계자는 성능을 개선하고 설계-제조-테스트 루프를 줄이며 시간과 비용을 모두 절약할 수 있습니다. 이러한 디바이스에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 위와 같은 접근 방식은 광학 및 포토닉스 기술을 발전시키는 데 매우 중요할 것입니다.
SPIE Digital Library에서 영어 논문 읽어보기 (가입이 필요할 수도 있습니다):
- Optical and manufacturing design aware flow for metalenses
- Computational patterning and process variation impact on photonics devices
추가 관련 기술 자료 및 논문:
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