▲ 롤투롤 나노임프린팅 기반 메타렌즈 대량 생산 공정(左)과 연구팀에서 활용한 성균관대 선도연구센터 롤투롤 나노임프린팅 설비

국내 연구진이 기존 카메라 렌즈보다 수백 배 얇으면서도 빛을 자유자재로 조절하는 ‘메타렌즈’를 마치 신문을 인쇄하듯 초고속으로 대량 생산할 수 있는 기술을 개발해 차세대 광학 기기 상용화에 기여할 전망이다.

과학기술정보통신부(장관 배경훈)는 성균관대학교 선도연구센터 조규진·김인기 교수 연구팀과 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 가시광 영역에서 동작하는 메타렌즈를 초당 300개 이상의 속도로 생산할 수 있는 ‘롤투롤(Roll-to-Roll) 나노 인쇄’ 공정 기술을 공동 개발했다고 지난 15일 밝혔다.

메타렌즈는 빛의 위상, 진폭 및 편광 등을 나노미터(nm) 수준에서 자유자재로 조절할 수 있는 차세대 광학소자다. 특히, 기존의 굴절 렌즈와 달리 표면이 평평한 평면렌즈 형태이면서도 두께는 수백 배 이상 얇아, 초박형 설계와 동시에 정밀한 빛 제어가 가능해 다양한 기능을 수행할 수 있다.

그러나 메타렌즈를 생산을 위해선 복잡하고 비용이 많이 드는 반도체 공정을 이용해야만 했던 탓에 그동안은 실험실 수준의 소량 생산에 머물러 실제 제품 상용화에 큰 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 성균관대 선도연구센터에서 개발한 롤투롤 인쇄 파운드리 기술을 활용해 유연한 기판 위에서 나노 구조체를 연속적으로 찍어낼 수 있는 공정을 독자적으로 개발했다.

기존에는 니켈 금형을 사용하여 메타렌즈를 하나씩 제작했으나, 연구팀은 유연한 소재의 고분자 복제 금형을 12인치 면적의 원통형 롤러로 만들었다. 이를 통해 롤러를 회전시켜 마치 신문을 인쇄하듯 렌즈를 연속적으로 인쇄할 수 있도록 공정을 구현하는 데 성공했다.

특히 고분자 복제 금형의 내구성과 해상도를 극대화하기 위해 특수 개발한 표면처리 기술을 도입하여, 200m 길이의 연속 공정에서도 첫 번째 제작 렌즈와 마지막 제작 렌즈의 성능 편차가 없는 수준까지 대량 생산의 신뢰성을 끌어올렸다.

이 시스템을 이용하면 기존 방식보다 약 100배 이상 빠른 초당 300개의 메타렌즈를 생산할 수 있다. 또한, 인쇄된 나노 구조체 위에 원자층 증착방식으로 고굴절 이산화티타늄(TiO2) 층을 코팅하여 가시광 영역에서 90% 이상의 높은 광 효율을 확보하는 데 성공했다.

실제 실험 결과 가시광 전 영역에서 회절 한계 수준의 정확한 초점을 형성함과 동시에 고성능 렌즈 기준인 0.8 이상의 슈트렐 비율(Strehl ratio)을 달성할 수 있었다.

이번 성과는 전 세계 광학계가 해결하지 못했던 ‘메타렌즈의 대량 생산’이라는 난제를 국내 연구진이 독자적인 공정 기술로 해결하며 차세대 광학 시장의 판도를 바꿀 핵심 전환점을 마련한 것으로 평가받는다.

특히, 기존 렌즈 대비 두께를 수백 배 줄이면서도 고성능을 구현함으로써, 스마트폰의 고질적인 카메라 돌출 문제를 근본적으로 해결하는 것은 물론 가벼운 안경 형태의 증강현실(AR) 글라스, 초정밀 의료 영상 장비, 우주 광학 시스템 등 첨단 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 변화를 불러일으킬 전망이다.

성균관대 조규진·김인기 교수와 포항공대 노준석 교수는 “우리 연구진이 보유한 소자 설계부터 대량 고속 제조 공정까지 일체의 기술력이 전 세계에 인정받은 만큼, 앞으로 차세대 광학 산업 전반의 상용화는 물론, 성균관대 선도연구센터가 추진하는 R2R 인쇄 파운드리 플랫폼 구현을 앞당기는 핵심 토대가 될 것”이라고 밝혔다.

과기부 김성수 연구개발정책실장은 “이번 성과는 우수한 연구 역량이 하나로 결집되고, 정부와 민간의 지원이 뒷받침돼 일궈낸 값진 결실”이라며, “앞으로도 연구자들이 세계적인 성과를 지속적으로 창출할 수 있도록 연구환경 조성과 아낌없는 지원을 이어나갈 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과기부 지원 사업 및 삼성미래기술육성사업, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업 등으로 수행됐으며 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’에 4월16일 게재됐다.