국내 대학 연구진이 차세대 광학기술인 메타렌즈의 대량생산 난제를 해결하는 혁신적인 제조기술을 개발했다. 기존 생산방식보다 100배 빠른 속도로 렌즈를 제작할 수 있어 상용화의 가장 큰 걸림돌이었던 생산성 한계를 극복했다는 평가다.
16일 과학기술정보통신부는 성균관대학교 선도연구센터 조규진·김인기 교수팀과 포항공과대학교 노준석 교수팀이 가시광 영역 메타렌즈를 초당 300개 이상 제조할 수 있는 '롤투롤 나노 인쇄 공정 기술'을 세계 최초로 개발했다고 발표했다. 연구결과는 16일 국제학술지 네이처에 발표됐다.
메타렌즈는 나노미터 단위에서 빛의 위상과 진폭, 편광을 조절하는 평면형 렌즈로, 기존 굴절렌즈보다 수백 배 얇으면서도 뛰어난 광학성능을 발휘하는 차세대 기술이다. 하지만 지금까지는 심자외선 포토리소그래피나 전자빔 리소그래피 같은 반도체 제조공정에 의존해야 해서 제작비용이 높고 대량생산이 불가능했다.
기존 제조방식은 딱딱한 니켈 금형으로 메타렌즈를 개별 제작하는 구조였다. 연구팀은 이를 개선해 유연한 고분자 복제 금형을 12인치 크기의 원통형 롤러로 제작했다.
롤러를 회전시키면서 렌즈를 연속으로 인쇄하는 공정을 구현한 것이 핵심이다. 신문인쇄와 같은 원리로 메타렌즈를 대량생산할 수 있도록 설계했다.
연구팀은 고분자 복제 금형의 내구성과 해상도를 향상시키기 위해 특수 표면처리 기술도 적용했다.
새로운 공정을 통해 기존보다 약 100배 빠른 속도인 초당 300개 이상의 메타렌즈 생산이 가능해졌다.
200m 길이의 연속공정에서도 첫 번째와 마지막 제작 렌즈 간 성능 차이가 없을 정도로 신뢰성을 확보했다.
원자층 증착 방식으로 이산화티타늄을 코팅해 가시광 전체 영역에서 90% 이상의 광효율을 달성했다. 동시에 고성능 렌즈의 기준인 슈트렐 비율 0.8 이상도 확보했다.
이번 기술개발은 메타렌즈 상용화의 최대 장애물이었던 생산성 문제를 해결한 사례로 주목받고 있다. 초박형 구조와 우수한 광학성능을 동시에 구현할 수 있어 스마트폰 카메라의 돌출 문제 해결은 물론, 증강현실 글라스와 의료영상장비, 우주광학시스템 등 다양한 분야에 활용될 전망이다.
성균관대 조규진·김인기 교수와 포항공대 노준석 교수는 "고비용 문제로 상용화가 어렵다고 여겨졌던 메타렌즈를 실제 산업현장 수준에서 초당 300개 이상 대량생산할 수 있음을 세계 최초로 입증한 성과"라며 "소자 설계부터 대량 고속 제조공정까지 일체의 기술력이 전 세계에 인정받은 만큼, 차세대 광학산업 전반의 상용화는 물론 성균관대 선도연구센터가 추진하는 R2R 인쇄 파운드리 플랫폼 구현을 앞당기는 핵심 토대가 될 것"이라고 말했다.