포스텍 노준석 교수팀, 자외선 영역에서 사용 가능한 메타렌즈 대량 생산 성공

나노 임프린트 공정 이용해 메타렌즈를 빠르고 저렴하게 생산

[프라임경제] 포스텍(포항공과대학교) 연구팀은 최근 자외선의 광학적 특성을 제어하는 메타렌즈 제작 공정을 개발해 여러 산업에서 혁신을 이끌어낼 것으로 주목을 모으고 있다. 

노준석 교수. ⓒ 포스텍

포스텍 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김주훈·김예슬 씨, 고려대 신소재공학부 이헌 교수·김원중 씨 공동 연구팀은 자외선 영역에서 사용할 수 있는 대면적 메타렌즈를 대량으로 생산하는 기술을 개발했다. 

이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 중 하나인 '머티리얼즈 투데이(Materials today)'에 게재됐다. 

메타렌즈(metalens)는 나노미터 크기의 패턴이나 구조물을 렌즈 표면에 가공하여 빛의 특성을 제어한다. 

기존 렌즈 두께를 1만 배 줄일 수 있어 체내 삽입하는 의료 기기나 웨어러블 기기 분야에서도 잠재력이 무궁무진해 이를 큰 면적으로 대량 생산해 상용화하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 

그런데, 자외선 영역의 빛은 에너지 준위가 높아 대부분의 물질에 흡수되며, 파장이 짧아 같은 면적이더라도 더 많은 구조체가 필요하다. 

또, 가시광선이나 적외선과 달리 자외선 영역에서 투명한 소재가 많지 않아 그동안 자외선용 대면적 메타렌즈를 생산하는 데 어려움이 많았다. 또, 나노 공정 기술의 한계로 현재까지 학계에 보고된 자외선용 메타렌즈는 대부분 500μm(마이크로미터) 이하다.

연구팀은 이전 연구에서 RIST(포항산업과학연구원) 전교선 박사팀과의 협업을 통해 가시광선용 메타렌즈를 대량으로 생산하는 데 성공해 '네이처 머티리얼즈'에, 그리고 적외선용 메타렌즈를 대량으로 생산해 'Laser and Photonics Reviews(레이저 앤 포토닉스 리뷰)'에 최근 논문을 게재했다. 

이번 연구에서는 자외선 영역에서 투명한 지르코늄 옥사이드(ZrO2) 물질에 이 공정을 결합함으로써 연구팀은 1cm 크기의 메타렌즈를 웨이퍼 단위로 대량 생산하는 데 성공했다. 

해당 공정은 도장을 찍듯 패턴을 새기는 나노 임프린트 공정을 이용해 기존보다 2만 배 더 큰 수백 개의 메타렌즈를 빠르고 저렴하게 생산할 수 있다. 

이번 연구를 이끈 노준석 교수는 "탁월한 광(光) 조절 능력을 가진 메타렌즈를 자외선 영역에서 대면적으로 구현한 연구는 처음"이라며, "추후 연구를 통해 반도체 검사장비 등의 산업 기술에도 적용할 수 있도록 개선해 나가겠다"는 포부를 전했다. 

한편, 이 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact Project, 과학기술정보통신부 미래유망융합기술파이오니아사업, RLRC지역선도선도연구센터사업, 나노소재기술개발사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐다.