국내 연구팀, 가시광 대역 메타렌즈 대량 생산 성공…연구 단계 머문 '메타물질' 산업화 실제 적용

대량 생산된 메타렌즈(위)와 VR기기 구현 결과물 연구 이미지.<포스텍 제공>

노준석 포스텍 교수

세계 최초로 가시광 대역에서 사용할 수 있는 메타렌즈를 대량 생산하는 기술이 국내 연구팀에 의해 개발됐다.

포스텍은 기계공학·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김주훈·성준화 씨와 고려대 신소재공학과 이헌 교수, 김원중 씨, 포항산업과학연구원(RIST) 전교선·이경일·윤동현 박사 연구팀이 세계 최초로 가시광선 대역 메타렌즈를 대량 생산하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

메타렌즈는 나노구조체의 배열로 이루어진 매우 얇고 가벼운 평면 광학 소자이다. 하지만 매우 정밀한 기술이 요구되고 고비용의 부담으로 상용화가 어려웠다.

이에 연구팀은 반도체와 디스플레이 제작 이용 기술을 결합해 공정의 한계를 극복했다.

'포토리소그래피'는 빛과 기판 인쇄의 합성어로, 빛을 이용해 사진을 찍듯이 기판에 패턴을 새기는 기술이다. '나노임프린트 리소그래피'는 나노소자 패턴이 각인된 스탬프를 사용해 기판 위에 패턴을 찍어내는 기술이다.

연구팀은 고속전자빔으로 하나의 패턴을 만들고, 불화아르곤(ArF) 포토리소그래피로 패턴을 복제해 12인치 크기의 스탬프를 제작했다. 이 스탬프와 나노임프린트 리소그래피를 이용해 1㎝ 크기의 지름을 가진 메타렌즈를 빠르게 찍어내는 데 성공했다.

기존 나노임프린트 기반의 구조체는 굴절률이 낮아 효율을 높이기 위해서 큰 비용이 필요하다.

그러나 연구팀은 찍어낸 렌즈에 20㎚(나노미터) 정도의 매우 얇은 이산화티타늄 막을 코팅해 렌즈 효율을 90%까지 향상했다. 두 기술 결합의 간단한 공정으로 고성능의 메타렌즈를 대량으로 생산한 것이다.

또한, 빨강·파랑·녹색 이미지를 나타낼 수 있는 초경량 가상현실(VR) 기기를 제작했다. 메타렌즈의 실용성을 입증하고 메타렌즈 상용화를 앞당겼다.

노준석 교수는 "20년간 상용화하지 못하고 연구 단계에만 머무른 메타물질 연구를 산업화 단계까지 끌어올려 실제로 적용할 수 있음을 보여준 연구 결과다"며 "세계에서 가장 앞선 기술로 가시광 대역에서 사용할 수 있는 메타렌즈를 웨이퍼 단위로 대량생산하는 데 세계 최초로 성공해 큰 의의가 있다"고 말했다.

이번 연구는 소재 분야에서 영향력 높은 학술지인 '네이처 머터리얼즈(Nature Materials)'에 실렸다.

김기태기자 ktk@yeongnam.com

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