스마트폰 ‘카툭튀’ 사라지나… 차세대 메타렌즈 대량생산 길 열렸다

성균관대학교 조규진·김인기 교수
포항공과대학교 노준석 교수 연구팀
신문 연속으로 찍어내듯 렌즈 만드는
‘롤투롤’ 공정 세계최초 개발…네이처 게재

<용어> 메타렌즈 표면은 평평하지만 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 미세한 인공 구조체를 촘촘히 배열해 빛을 굴절시키는 차세대 신소재 광학 부품. 기존 굴절 렌즈보다 훨씬 얇고 가벼우면서도 성능이 뛰어나지만, 반도체를 만들 때 쓰는 공정을 이용해야 해서 대량 생산이 불가능했다.

롤투롤 공정으로 대량 생산한 메타렌즈에 흰색 LED 빛을 쏘자 오차 없이 정밀하게 초점을 맺는 모습[노준석 포항공대 교수 제공]

스마트폰 뒷면에 툭 튀어나온 카메라 렌즈, 이른바 ‘카툭튀’가 머지않아 역사 속으로 사라질 전망이다. 차세대 신소재로 만들어 아주 얇은 메타렌즈를 대량 생산할 수 있는 핵심 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.

렌즈 두께를 기존의 수백 분의 1로 줄인 것은 물론, 신문을 찍어내듯 초고속으로 생산할 수 있어 관심을 모은다. 그동안 비싼 가격과 까다로운 공정 탓에 실험실에만 머물러 있던 메타렌즈의 상용화 시계를 크게 앞당길 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 성균관대학교 조규진·김인기 교수와 포항공과대학교 노준석 교수 공동 연구팀이 가시광선 영역에서 작동하는 고성능 메타렌즈를 1초에 300개 이상 생산할 수 있는 ‘롤투롤(Roll-to-Roll) 나노 인쇄’ 공정을 개발했다고 16일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.

지금까지는 메타렌즈를 만들려면 비싸고 까다로운 반도체 생산 공정이 필요해 대량생산이 어려웠다. 연구팀은 유연한 고분자 소재의 금형을 원통형 롤러에 감아, 기판 위를 굴려가며 구조체를 연속적으로 찍어내는 공정을 고안했다. 이는 종이신문을 인쇄기 롤러로 빠르게 찍어내는 것과 같은 원리다. 특히 특수 표면처리 기술을 도입해 200m 길이의 기판을 연속 인쇄해도 렌즈의 성능이 일정하게 유지되도록 안정성을 확보했다.이 공정을 통해 완성된 메타렌즈는 기판을 포함한 전체 두께가 250마이크로미터(0.25㎜) 수준으로, 일반적인 명함이나 엽서 한 장 두께와 비슷할 만큼 얇다.

기존 공정 대비 생산 속도 100배 향상
1초당 300개 이상 대량생산 길 열려
폰카·AR 글라스·초소형 카메라 등
첨단 광학 기기 상용화 ‘초읽기’

신문을 인쇄하듯 원통형 금형을 회전시켜 얇고 유연한 기판 위에 차세대 메타렌즈를 초고속으로 대량 생산하는 성균관대 선도연구센터의 ‘롤투롤(Roll-to-Roll)’ 장비. [성균관대학교 조규진·김인기 교수 제공]

이렇게 생산된 메타렌즈는 성능 면에서도 합격점을 받았다. 빛을 모아주는 성질이 강한 이산화티타늄(TiO2)을 얇게 코팅해, 우리가 눈으로 보는 가시광선 영역에서 90% 이상의 높은 빛 효율을 보였다. 렌즈가 빛을 얼마나 정확히 모으는지 나타내는 지표인 ‘슈트렐 비율’도 0.8 이상을 기록해 실제 산업 현장에서 쓰기에 충분한 성능임을 입증했다. 이 공정을 적용하면 기존 방식보다 생산 속도를 100배 이상 높일 수 있다.

이번 연구는 실험실 수준의 성과를 넘어 실제 산업 현장에 적용 가능한 수준의 대량 생산 체계를 구축했다는 데 의미가 있다. 두꺼운 렌즈 탓에 디자인의 제약이 많았던 스마트폰 카메라 뿐 아니라 가벼운 안경 형태의 증강현실(AR) 기기, 초소형 의료용 내시경 등 다양한 분야의 혁신을 이끌 것으로 보인다.

노준석 포항공대 교수는 “그동안 고비용 문제로 상용화가 어려울 것이라 여겨졌던 메타렌즈를 실제 산업 현장 수준에서 초당 300개 이상 대량 생산할 수 있음을 세계 최초로 입증한 성과”라고 밝혔다.

성균관대 조규진·김인기 교수는 “우리 연구진이 보유한 소자 설계부터 대량 고속 제조 공정까지 일체의 기술력이 전 세계에 인정받았다”며 “앞으로 차세대 광학 산업 전반의 상용화는 물론, 성균관대 선도연구센터가 추진하는 ‘R2R 인쇄 파운드리 플랫폼’ 구현을 앞당기는 핵심 토대가 될 것”이라고 말했다.