시너지로 한계 극복

▲ 포스텍 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수 포스텍 제공

   
▲ 포스텍 기계공학과 통합과정 김주훈 씨 포스텍 제공

   
▲ 포스텍 기계공학과 통합과정 성준화 씨 포스텍 제공

메타렌즈는 나노구조체의 배열로 이루어진, 매우 얇고 가벼운 평면 광학 소자로 최근 많은 주목을 받고 있다.

하지만 메타렌즈를 생산하기 위해서는 매우 정밀한 기술이 필요하고, 비용적인 측면에서도 부담이 커 상용화에 어려움을 겪고 있다는 지적이다.

포스텍(포항공과대학교)은 26일 기계공학과 · 화학공학과(노준석 교수 · 기계공학과 통합과정 김주훈 · 성준화 씨)가 고려대 신소재공학과(이헌 교수 · 김원중 씨), 포항산업과학연구원(전교선 박사 · 이경일 박사 · 윤동현 박사)연구팀과 함께 공동으로 세계 최초 가시광선 대역 메타렌즈를 대량 생산하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 공정의 한계를 극복하기 위해 반도체와 디스플레이 제작에 이용되는 두 기술을 결합했다.

포토리소그래피는 빛과 기판 인쇄의 합성어로 빛을 이용해 사진을 찍듯이 기판에 패턴을 새기는 기술이다.

나노임프린트 리소그래피는 나노소자 패턴이 각인된 스탬프를 사용해 기판 위에 패턴을 찍어내는 기술을 말한다.

연구팀은 먼저 고속전자빔으로 하나의 패턴을 만들고, 불화아르곤(ArF) 포토리소그래피로 패턴을 복제하여 12인치(inch) 크기의 스탬프를 제작했으며,스탬프와 나노임프린트 리소그래피를 이용하여 1센티미터(cm) 크기의 지름을 가진 메타렌즈를 빠르게 찍어내는 데 성공했다.

연구팀은 찍어낸 렌즈에 20나노미터(nm) 정도의 매우 얇은 이산화티타늄(TiO2) 막을 코팅하여 렌즈의 효율을 90퍼센트까지 향상시켰고, 두 기술의 결합을 통해 간단한 공정으로도 고성능의 메타렌즈를 대량으로 생산하는 데 성공했다.

연구팀은 빨강, 녹색, 파랑의 이미지를 나타낼 수 있는 초경량 가상현실(VR) 기기를 제작하며 메타렌즈의 실용성도 입증했다.

이번 연구는 포스코가 연구비를 지원하는 산(POSCO)-학(POSTECH)-연(RIST) 융합연구소사업 1호로 선정되어 앞으로 메타렌즈의 상용화가 탄력을 받을 뿐 아니라 포스코가 철강 기업에서 미래 소재 기업으로 도약할 계기가 될 것으로 기대한다.

포스텍 노준석 교수는 “이번 연구는 20년간 상용화되지 못하고 연구 단계에만 머물렀던 메타물질 연구를 산업화 단계까지 끌어올려 실제로 적용될 수 있음을 보여주었다”며, “세계에서 가장 앞선 기술로 가시광 대역에서 사용할 수 있는 메타렌즈를 웨이퍼 단위로 대량 생산하는데 세계 최초로 성공했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다.
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