스마트폰·AR 안경 더 얇게…메타표면 제조 '나노프린팅'이 돌파구

스마트폰·증강현실(AR) 안경을 더 얇고 가볍게 만들 핵심 기술로 꼽히는 광학 메타표면이 만들기 어렵고 비싸다는 한계를 나노프린팅 기술로 풀 수 있다는 연구 동향이 나왔다. 게티이미지뱅크 제공

스마트폰·증강현실(AR) 안경을 더 얇고 가볍게 만들 핵심 기술로 꼽히는 '광학 메타표면’. 곡면 렌즈 기능을 평면 칩에 담을 수 있어 차세대 광학 소자로 주목받지만 만들기 어렵고 비싸다는 게 약점이다. 나노프린팅 기술이 그 돌파구로 떠오르고 있다.

포스텍은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수팀이 나노프린팅 기술로 이 문제를 풀 수 있다는 연구 동향과 향후 발전 방향을 담은 리뷰 논문을 발표했다고 13일 밝혔다. 논문은 국제학술지 '네이처 리뷰 머티리얼즈'에 지난 1월 8일 실렸다.

광학 메타표면은 파장보다 작은 나노미터 규모의 구조를 평면에 배열해 빛의 위상·세기·편광을 정밀하게 제어하는 차세대 광학 소자다. 얇고 가벼운 평면 구조만으로 빛을 자유롭게 조절할 수 있어 메타렌즈, 홀로그래피 광학 소자, 차세대 광학 센서 등 다양한 분야에서 주목받는다.

기존 메타표면 제작은 전자빔으로 나노 패턴을 새기는 '전자빔 리소그래피(EBL)' 등 반도체 공정에 의존해 왔다. 해상도는 높지만 공정 속도가 느리고 비용이 높아 대량생산에 한계가 있었다.
연구팀은 대안으로 '나노프린팅' 기술에 주목하고 공정 기술과 광학 재료 관점에서 연구 흐름을 체계적으로 정리했다.

대표 공정은 '나노임프린트 리소그래피(NIL)'와 '나노전사 프린팅(nTP)'이다. NIL은 도장 찍듯 나노 패턴을 복제하는 방식으로 정밀도와 재현성이 높다. 컨베이어벨트처럼 연속으로 찍어내는 '롤투롤(Roll-to-Roll)' 공정과 결합하면 대면적 광학 소자를 빠르게 대량 생산할 수 있다. nTP는 원하는 구조만 골라 옮겨 붙이는 방식으로 기존 반도체 공정으로는 쓰기 어려웠던 특수 광학 재료를 메타표면에 직접 적용할 수 있다.

재료도 진화하고 있다. 초기에는 빛이나 열로 굳히는 ‘폴리머(고분자)’ 소재가 주로 쓰였지만 빛을 구부리는 능력이 약해 고성능 소자를 만들기 어려웠다. 최근에는 빛 굴절 능력이 뛰어난 나노복합체나 유리 계열 무기 소재, 외부 자극으로 특성을 바꿀 수 있는 능동 재료 등으로 선택지가 넓어지면서 메타표면 성능이 크게 높아지고 있다.

나노프린팅 기술은 대형 메타렌즈, 홀로그램 소자, 빛을 능동적으로 제어하는 메타표면 등으로 응용 범위도 빠르게 넓어지고 있다. 메타표면 기술이 실험실을 벗어나 실제 산업에 쓰일 날이 가까워지고 있다는 신호다.

노준석 교수는 "나노프린팅은 단순한 저비용 대량생산 공정을 넘어 광학 메타표면의 성능과 기능을 좌우하는 핵심 기술로 발전하고 있다"며 "제조 공정 문제를 새로운 관점에서 조망하고 최신 연구 흐름을 체계적으로 정리했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

<참고자료>
doi.org/10.1038/s41578-025-00874-3

[조가현 기자 gahyun@donga.com]