과학기술정보통신부는 조규진·김인기 성균관대 선도연구센터 교수 연구팀과 노준석 포스텍(POSTECH) 교수 연구팀이 가시광 영역에서 동작하는 메타렌즈를 초당 300개 이상 속도로 생산할 수 있는 ‘롤투롤(Roll-to-Roll) 나노 인쇄(Nanoimprint)’ 공정 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
메타렌즈는 빛의 위상, 진폭 및 편광 등을 나노미터(㎚) 수준에서 자유자재로 조절할 수 있는 차세대 광학소자다. 기존 굴절 렌즈와 달리 표면이 평평한 평면렌즈 형태이면서도 두께는 수백 배 이상 얇다. 다만 메타렌즈 제작은 복잡한 고비용 반도체 공정을 이용해야만 해 그동안은 실험실 수준 소량 생산에 머물렀다.
연구팀은 상용화 문제를 해결하기 위해 성균관대 선도연구센터에서 개발한 롤투롤 인쇄 파운드리 기술을 활용했다.
기존에는 딱딱한 니켈 금형을 사용해 메타렌즈를 하나씩 제작했으나, 연구팀은 유연한 소재 고분자 복제 금형을 12인치 면적 원통형 롤러로 만들었다.
이를 통해 롤러를 회전시켜 신문을 인쇄하듯 렌즈를 연속적으로 인쇄할 수 있도록 공정을 구현했다.
특히 고분자 복제 금형 내구성과 해상도를 극대화하기 위해 특수 개발한 표면처리 기술을 도입해 200m 길이 연속 공정에서도 첫 번째 제작 렌즈와 마지막 제작 렌즈의 성능 편차가 없는 수준까지 대량 생산의 신뢰성을 끌어올렸다. 이 시스템을 이용하면 기존 방식보다 약 100배 이상 빠른 초당 300개 메타렌즈를 생산할 수 있다.
또 인쇄된 나노 구조체 위에 원자층 증착 방식으로 고굴절 이산화티타늄층을 코팅해 가시광 영역에서 90% 이상 높은 광 효율을 확보하는 데 성공했다. 실제 실험 결과 가시광 전 영역에서 회절 한계 수준의 정확한 초점을 형성함과 동시에 고성능 렌즈 기준인 0.8 이상 슈트렐 비율(Strehl ratio)을 달성할 수 있었다.
이를 통해 기존 렌즈 대비 두께를 수백 배 줄이면서도 고성능을 구현함으로써 스마트폰의 고질적인 카메라 돌출 문제를 근본적으로 해결하는 것은 물론 가벼운 안경 형태 증강현실(AR) 글라스, 초정밀 의료 영상 장비, 우주 광학 시스템 등 첨단 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 변화를 불러일으킬 전망이다.
연구팀은 “소자 설계부터 대량 고속 제조 공정까지 일체 기술력이 전 세계에 인정받은 성과”라며 “앞으로 차세대 광학 산업 전반의 상용화는 물론 성균관대 선도연구센터가 추진하는 R2R 인쇄 파운드리 플랫폼 구현을 앞당기는 핵심 토대가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 네이처(Nature)에 16일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
