포스텍, 자외선 영역에서 사용 가능한 메타렌즈 양산 기술 개발

국내 연구팀이 자외선의 광학적 특성을 제어하는 메타렌즈 제작 공정을 개발했다. 다양한 산업영역에 활용할 수 있을 전망이다.

포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과·화학공학과 교수와 기계공학과 통합과정 김주훈·김예슬 씨가 이헌 고려대 신소재공학부 교수팀과 함께 자외선 영역에서 사용할 수 있는 대면적 메타렌즈를 대량으로 생산하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

메타렌즈(metalens)는 나노미터 크기 패턴이나 구조물을 렌즈 표면에 가공해 빛의 특성을 제어한다. 기존 렌즈 두께를 1만 배 줄일 수 있어 체내 삽입하는 의료 기기나 웨어러블기기 분야에도 잠재력이 무궁무진해 이를 큰 면적으로 대량 생산해 상용화하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

하지만 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. 나노 공정 기술의 한계로 현재까지 학계에 보고된 자외선용 메타렌즈는 대부분 500㎛(마이크로미터) 이하다.

대량생산된 자외선 메타렌즈(왼쪽)와 고굴절률막의 원자층 증착을 통한 효율 증폭 관련 이미지(오른쪽)

연구팀은 이전 연구에서 포항산업과학연구원(RIST) 전교선 박사팀과 협업해 가시광선용 메타렌즈를 대량으로 생산하는 데 성공해 '네이처 머티리얼즈'에 논문을 게재한바 있다. 이번 연구에서는 자외선 영역에서 투명한 지르코늄 옥사이드(ZrO2) 물질에 이 공정을 결합함으로써 1㎝(센티미터) 크기 메타렌즈를 웨이퍼 단위로 대량 생산하는 데 성공했다. 해당 공정은 도장을 찍듯 패턴을 새기는 나노 임프린트 공정으로 기존보다 2만 배 더 큰 수백 개의 메타렌즈를 빠르고 저렴하게 생산할 수 있다.

노준석 교수는 “탁월한 광 조절 능력을 가진 메타렌즈를 자외선 영역에서 대면적으로 구현한 연구는 처음”이라며, “추후 연구를 통해 반도체 검사장비 등의 산업 기술에도 적용할 수 있도록 개선해 나가겠다”고 말했다.

포스코홀딩스 N.EX.T Impact Project, 과학기술정보통신부 미래유망융합기술파이오니아사업, RLRC지역선도선도연구센터사업, 나노소재기술개발사업, 미래소재디스커버리사업 등 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 재료 분야 국제 학술지 중 하나인 '머티리얼즈 투데이'에 실렸다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com