(서울=뉴스1) 김민수 기자 = 국내 연구진이 차세대 광학소자인 '메타렌즈'를 초고속으로 대량 생산할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 기존보다 최대 100배 빠른 속도로 렌즈를 생산할 수 있어 상용화의 핵심 걸림돌로 꼽혀온 생산성 문제를 해결했다.
과학기술정보통신부는 16일 성균관대학교 선도연구센터 조규진·김인기 교수 연구팀과 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 가시광 영역에서 작동하는 메타렌즈를 초당 300개 이상 생산할 수 있는 '롤투롤(Roll-to-Roll) 나노 인쇄 공정 기술'을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구 성과는 이날 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.
메타렌즈는 빛의 위상·진폭·편광을 나노미터 수준에서 제어하는 평면 렌즈다. 기존 굴절 렌즈보다 수백 배 얇으면서도 정밀한 광학 성능을 구현할 수 있는 차세대 기술이다. 다만 기존에는 심자외선(DUV) 포토리소그래피나 전자빔 리소그래피 등 반도체 공정에 의존해야 해 생산 비용이 높고 대량 생산이 어려웠다.
기존에는 딱딱한 니켈 금형을 사용해 메타렌즈를 하나씩 제작하는 방식이었다. 반면 연구팀은 유연한 고분자 복제 금형을 12인치 크기의 원통형 롤러 형태로 제작했다.
이를 회전시키며 렌즈를 연속적으로 인쇄하는 공정을 구현했다. 신문을 찍어내듯 메타렌즈를 대량 생산할 수 있도록 설계된 것이 특징이다.
또 고분자 복제 금형의 내구성과 해상도를 높이기 위해 특수 표면처리 기술을 적용했다.
이 공정을 통해 기존 방식보다 약 100배 빠른 속도로 메타렌즈를 초당 300개 이상 생산할 수 있게 됐다.
200m 길이의 연속 공정에서도 첫 번째 제작 렌즈와 마지막 제작 렌즈의 성능 편차가 없는 수준까지 신뢰성을 올렸다.
또 원자층 증착(ALD) 방식으로 이산화티타늄(TiO₂)을 코팅해 가시광 전 영역에서 90% 이상의 광 효율을 확보했다. 동시에 고성능 렌즈 기준인 슈트렐 비율(Strehl ratio) 0.8 이상을 달성했다.
이번 기술은 메타렌즈 상용화를 가로막아온 가장 큰 장벽인 생산성 문제를 해결한 사례로 평가된다. 초박형 구조와 높은 광학 성능을 동시에 구현할 수 있어 스마트폰 카메라의 돌출 문제를 줄이는 것은 물론, 증강현실(AR) 글라스와 의료 영상 장비, 우주 광학 시스템 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대된다.
성균관대 조규진·김인기 교수와 포항공대 노준석 교수는 "그동안 고비용 문제로 상용화가 어려울 것이라 여겨졌던 메타렌즈를 실제 산업 현장 수준에서 초당 300개 이상 대량 생산할 수 있음을 세계 최초로 입증한 성과"라며 "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.
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