메타 렌즈는 빛을 자유롭게 제어하는 나노 인공 구조체로 기존 광학 부품의 크기와 두께를 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다. 이 기술은 특히 근적외선 영역에서 활용도가 매우 높으며, ‘자율주행차의 눈’이라 불리는 라이다(LiDAR), 초소형 드론, 혈관 탐색기 등 다양한 분야에서 매우 유망하다. 하지만 현재 기술 수준으로는 메타렌즈를 손톱 크기로 제작하는 데도 수천만 원이 필요해 상용화에 어려움이 많았다. 그런데 최근 이를 1,000분의 1로 줄일 수 있는 혁신적인 기술이 발표됐다. 

포스텍(포항공과대학교) 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 문성원 · 김주훈 씨, 고려대 신소재공학부 이헌 교수·박찬웅·김원재 씨 공동 연구팀은 메타 렌즈 대량 생산과 대면적 제조를 위한 두 가지 혁신적인 방안을 제시했다. 이번 연구는 광학과 응용 물리 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰스(Laser & Photonics Reviews)’에 게재됐다. 

포토리소그래피(photolithography)는 빛으로 실리콘 웨이퍼 위에 패턴을 입히는 공정으로 메타 렌즈 제작에 사용되는 공정 중 하나다. 일반적으로 빛의 파장은 해상도에 반비례하기 때문에 파장이 짧을수록 해상도가 높아져 더 정교하고 세밀한 구조물을 만들 수 있다. 연구팀은 이번 연구에서 파장이 짧은 자외선을 이용하는 심자외선 포토리소그래피(Deep-UV photolithography) 공정을 선택했다. 

최근 연구팀은 심자외선 포토리소그래피를 통해서 가시광 영역의 메타렌즈 대량생산에 성공하여, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Nature Materials(네이처 머티리얼즈)‘에 논문을 게재한 바가 있다. 하지만 기존의 공정 방법으로는 적외선 영역에서 효율이 낮다는 한계가 있었다. 연구팀은 한계를 극복하기 위해 적외선 영역에서 높은 굴절률의 물질을 개발하고, 기존 대량생산 공정에 접목시켜 직경 1cm의 대면적 적외선 메타 렌즈를 8인치 웨이퍼 단위로 만드는 데 성공했다. 이 렌즈는 빛을 모으는 성능을 나타내는 개구수(NA)가 0.53으로 매우 높았으며, 회절 한계에 근접한 높은 해상도를 보였다. 또, 원통형 구조로 인해 편광에 독립적인 특성을 가져 빛의 진동 방향과 무관하게 우수한 성능을 보였다.

두 번째 전략에서는 몰드(mold)를 사용해 나노 구조체를 찍어낼 수 있는 나노 임프린팅(nano imprinting) 공정을 이용했다. 연구팀은 이번에는 직사각형 나노 구조체 수억 개로 구성된 직경 5mm의 메타 렌즈를 4인치 웨이퍼 단위로 양산하는 데 성공했다. 이 메타 렌즈 역시 개구수가 0.53으로 성능이 매우 우수했으며, 직사각형 구조로 인해 빛의 진동 방향에 따라 효과적으로 작동하는 편광 의존적인 특성을 보였다. 

이를 바탕으로 연구팀은 양파 표피와 같은 실제 샘플을 관찰하는 고해상도 이미징 시스템도 구현해 메타렌즈 상용화의 가능성을 확인했다. 이번 연구는 메타 렌즈를 하나씩 생산하던 기존 공정의 한계를 극복하고, 용도에 따라 편광 의존 · 독립적인 광학 기기를 만들고, 특히 메타 렌즈 제작 비용을 최대 1,000배를 줄일 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다. 

이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “센티미터 크기의 고성능 메타 렌즈를 웨이퍼 단위로 정밀하고 빠르게 대량으로 생산하는 데 성공했다”며, “이번 연구를 바탕으로 메타 렌즈 산업화를 가속화하고 효율적인 광학 기기와 광학 기술 발전이 더욱 촉진되길 바란다”는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 POSCO 산학연 융합연구소사업, 과학기술정보통신부 미래유망융합기술파이오니아사업, RLRC지역선도선도연구센터사업, 나노소재기술개발사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐다.

최승우 기자 kantmania@naver.com

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