포스텍, 가시광 전 영역에서 작동하는 산업 호환형 고효율 메타표면 개발

포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과 교수, 기계공학과 통합과정 성준화·전영선 씨, 박사 양영환(현 국립창원대 조교수) 연구팀이 안지환 기계공학과 교수 연구팀과 함께 눈에 보이는 모든 색의 빛을 자유롭게 다루면서 기존 반도체 공정과도 잘 맞는 초정밀 '빛 조종기술'이 개발됐다고 11일 밝혔다. 이 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 '머터리얼즈 투데이(Materials Today)'에 최근 게재됐다.

노준석 교수

메타표면은 일반 렌즈와 달리 아주 얇은 두께로도 빛의 위상과 편광, 진폭 등을 조절할 수 있는 초박막 광학 기술이다. 초소형 카메라, AR·VR 디스플레이, 보안 장치 등 차세대 광학 기술의 핵심으로 주목받고 있지만 지금까지의 메타표면은 빛을 충분히 통과시키지 못하거나(낮은 효율), 열에 약하고 복잡한 공정 탓에 실제 제품에 적용하기 어려웠다.

연구팀은 '실리콘 산화물' 기판에 빛을 잘 굽히는 '티타늄 산화물'을 아주 얇게 덮는 방식으로 이를 해결했다. 기존 비정질 실리콘 산화물은 굴절률이 낮아 빛을 효과적으로 조절하지 못했지만, 250℃도 이하에서 티타늄 산화물을 '결정질 상태'로 만들고, 굴절률을 기존보다 0.43 높였다.

비정질 티타늄 산화물의 결정질 티타늄 산화물로의 상전이 및 이를 통한 굴절률 증가

이렇게 만든 26㎚ 두께의 결정질 티타늄 산화물 막 위에 정밀한 나노구조를 새기면 빛의 위상을 제어하는 '하이브리드 메타표면'이 완성된다. 이 표면은 하나의 구조로도 빨간색·초록색·파란색 각각에 최적화된 설계가 가능해, 빨간색(635㎚)과 초록색(532㎚)에서는 95%, 파란색(450㎚)에서도 75%의 높은 투과율을 달성했다. 이는 기존 메타표면의 20% 이하 효율을 4~5배 높인 수준이다.

주목할 만한 점은 이 기술이 단지 실험실 안에서만 가능한 게 아니라는 점이다. 연구팀은 전자빔 리소그래피를 이용해 직경 5㎜의 대면적 메타렌즈를 실제로 만들어 고해상도 이미징 성능을 입증했다. 또한 기존 반도체 공정과 완벽하게 호환되어 대량생산이 가능하고 비용도 크게 절약할 수 있다.

특히, 기존 고굴절 소재는 수백 ㎚ 두께로 증착해야 했던 반면, 30㎚ 이하의 얇은 박막만으로도 높은 효율을 얻을 수 있어, 후처리 공정의 자유도도 높다. 반사 방지나 오염 방지 코팅도 적용이 쉬워 산업 현장에서 유리하다.

노준석 교수는 “이번 연구로 스마트폰 카메라는 지금보다 더 얇고 선명해지며, AR·VR 기기는 안경처럼 가볍게 쓸 수 있게 될 것”이라며, “보안용 초정밀 광학 패턴과 의료용 초소형 진단 장비 개발에도 크게 기여할 것”이라고 했다.

한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 과제 및 과학기술정보통신부 · 한국연구재단과 산업통상자원부/산업평가관리기술원의 지원으로 수행됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com