빛 자유자재 조종하는 메타렌즈, 공장에서 바로 찍어낸다

노준석 포스텍 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수. 포스텍 제공

국내 연구진이 빛을 자유롭게 조종하는 ‘메타렌즈’를 공장에서 바로 찍어낼 수 있는 기술을 개발했다. 스마트폰 카메라, 가상현실(VR)·증강현실(AR) 기기, 의료용 초소형 장비 등 다양한 분야에서 제품을 더 작고 가볍게 만들 수 있는 핵심 기술로 주목받는다.

포스텍은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수와 안지환 기계공학과 교수 공동 연구팀이 가시광 전 영역에서 작동하며 기존 반도체 공정과 호환되는 고효율 메타표면 제작에 성공했다고 11일 밝혔다.

메타렌즈는 일반 유리 렌즈와 달리 아주 얇은 표면에 빛을 조절하는 미세한 구조를 새겨 만든다. 이 구조 덕분에 빛의 방향이나 색깔을 원하는 대로 바꿀 수 있다. 지금까지의 메타렌즈는 빛이 잘 통과하지 않거나 열에 약하고 제조 과정이 복잡해 실제 제품에 적용하기 어려웠다.

연구팀은 ‘티타늄 산화물’이라는 재료로 해결했다. 투명한 유리처럼 생긴 ‘실리콘 산화물’ 위에 티타늄 산화물을 26나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께로 입힌 뒤 낮은 온도에서 결정질로 만드는 방법이다. 빛을 더 잘 굴절시킬 수 있어 성능이 크게 향상된다.

이 기술로 만든 메타렌즈는 빨간색과 초록색 빛에서는 95%, 파란색 빛에서도 75%가 통과한다. 기존 기술의 효율이 20%도 안 됐던 점을 감안하면 4~5배 이상 좋아진 셈이다. 반도체 칩을 만드는 공정과 똑같은 방식으로 제작할 수 있어 대량생산이 가능하고 제조비용도 줄일 수 있다.

연구팀은 실제로 지름 5밀리미터(mm) 크기의 메타렌즈를 만들어 고화질 이미지를 찍는 데 성공했다. 얇고 효율이 높아 반사 방지나 오염 방지 코팅을 입히기도 쉽다.

노준석 교수는 “이 기술이 상용화되면 스마트폰 카메라는 더 얇아지고 화질이 좋아질 것이며 AR·VR 기기는 안경처럼 가볍게 쓸 수 있다”며 “보안 장치나 의료 장비에도 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.mattod.2025.06.005

[박정연 기자 hesse@donga.com]