포스텍·고려대 공동연구팀, 메타렌즈 크기 저렴하게 확 줄이는 기술 개발

소형드론, 혈관탐색기 등 메타렌즈 산업 활성화 기대

포스텍 노준석 교수

포스텍 통합과정 문성원씨

포스텍 통합과정 김주훈씨

빛을 자유롭게 제어하는 나노 인공 구조체인 메타렌즈는 크기를 줄이는 게 중요한 문제인데 이 비용을 0.001% 수준으로 낮추는 기술이 개발됐다.

'자율주행차의 눈'으로 불리는 라이다와 초소형 드론, 혈관탐색기 등에 다양하게 쓰이는 메타렌즈는 손톱 크기로 제작하는데도 수천만원이 소요될 정도로 비싼 기술이다.

포스텍(포항공대)기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 문성원·김주훈씨, 고려대 신소재공학부 이헌 교수·박찬웅·김원중씨 공동 연구팀은 메타렌즈 대량 생산과 대면적 제조를 위한 두 가지 혁신적인 방안을 내놓으며 관련 기술 상용화를 앞당겼다.

이번 연구는 광학과 응용 물리 분야 국제 학술지 중 하나인 '레이저 앤 포토닉스 리뷰스'에 게재됐다.

연구팀은 빛으로 실리콘 웨이퍼 위에 패턴을 입히는 공정인 '포토리소그래피'에 주목했다. 일반적으로 빛의 파장은 해상도에 반비례하기 때문에 파장이 짧을수록 해상도가 높아져 더 정교하고 세밀한 구조물을 만들 수 있다.

연구팀은 이미 이 같은 특성을 활용하기 위해 파장이 짧은 자외선을 이용하는 심자외선 포토리소그래피 공정을 관련 기술에 적용하며 가시광 영역의 메타렌즈 대량생산에 성공한 바 있다.

하지만 적외선 영역에서 효율이 낮아 이를 보완하는 기술이 필요했다.

이에 연구팀은 한계를 극복하기 위해 적외선 영역에서 높은 굴절률의 물질을 개발하고, 기존 대량생산 공정에 접목시켜 직경 1㎝의 대면적 적외선 메타렌즈를 8인치 웨이퍼 단위로 만드는데 성공했다.

이 렌즈는 빛을 모으는 성능을 나타내는 개구수(NA)가 0.53으로 매우 높고, 해상도 역시 회절 한계에 근접할 정도로 뛰어났다. 또 원통형 구조로 인해 편광에 독립적인 특성을 가져 빛의 진동 방향과 무관하게 우수한 성능을 보였다.

연구팀은 또 다른 방식으로 얇은 메타렌즈를 구현하기 위해 나노구조체를 찍어낼 수 있는 나노 임프린팅 공정을 활용했다. 이 방법을 적용한 결과 직사각형 나노 구조체 수억 개로 구성된 직경 5㎜의 메타렌즈를 4인치 웨이퍼 단위로 양산하는데 성공했다.

이 메타렌즈도 개구수가 0.53으로 나타났고, 직사각형 구조로 인해 빛의 진동 방향에 따라 효과적으로 작동하는 편광 의존적인 특성도 보였다.

두 연구는 메타렌즈를 하나씩 생산하던 기존 공정의 한계를 극복하고 제작비용을 최대 1천배 줄였다는 점에서 큰 의미가 있다고 연구팀은 평가했다.

노준석 교수는 "㎝ 크기의 고성능 메타 렌즈를 웨이퍼 단위로 정밀하고 빠르게 대량으로 생산하는데 성공했다"며 "이번 연구를 바탕으로 메타렌즈 산업화를 가속화하고 효율적인 광학 기기와 광학 기술 발전이 더욱 촉진되길 바란다"고 했다.