안경알 두께가 종이 한 장?⋯광학계 판도 바꿀 ‘나노 인쇄’

연구 이미지. /포스텍 제공

안경 렌즈나 카메라 망원 렌즈처럼 두껍고 무거운 광학 장치들을 종이처럼 얇은 평면으로 대체할 수 있는 ‘광학 메타표면’ 기술이 상용화에 한 발짝 더 다가섰다. 

포항공과대학교(이하 포스텍) 노준석 교수 연구팀은 나노미터(nm·10억분의 1m) 규모의 구조를 평면에 배열해 빛을 제어하는 ‘광학 메타표면’의 최신 제조 공정과 재료 연구 동향을 정리한 리뷰 논문을 발표했다고 13일 밝혔다. 

광학 메타표면은 빛의 파장보다 작은 나노 구조물을 평면에 정밀하게 배치해 빛의 세기와 방향, 편광 등을 조절하는 차세대 소자다. 이를 활용하면 초박형 메타렌즈, 고화질 홀로그램 장치, 차세대 광학 센서 등을 만들 수 있다. 

그동안 메타표면을 제작하려면 전자빔(e-beam)을 이용해 패턴을 하나하나 새기는 반도체 공정을 거쳐야 했다. 해상도는 높지만 제작 속도가 너무 느리고 비용이 막대해 실험실 수준을 벗어나기 어렵다는 지적이 끊이지 않았다.

연구팀은 이에 대한 해결책으로 ‘나노프린팅’ 기술에 주목했다. 나노프린팅은 나노 패턴이 새겨진 틀(몰드)을 이용해 붕어빵을 찍어내듯 구조물을 복제하거나, 원하는 재료를 선택적으로 전사하는 방식을 말한다. 

특히 롤러 위에서 필름을 인쇄하듯 찍어내는 ‘롤투롤(Roll-to-Roll)’ 공정을 결합하면 대면적 광학 소자를 초고속으로 대량 생산할 수 있는 길이 열린다.

연구팀은 공정뿐만 아니라 ‘재료’의 진화에도 주목했다. 초기에는 굴절률이 낮은 폴리머(플라스틱 계열)가 주로 쓰여 효율이 떨어졌으나, 최근에는 굴절률을 높인 나노 복합체나 무기 산화물 등 신소재가 도입되고 있다. 이를 통해 메타표면의 광학적 성능은 극대화하면서도 설계의 자유도를 대폭 높였다는 분석이다.

노 교수는 “그간 광학 메타표면 분야의 최대 걸림돌이었던 제조 공정 문제를 나노프린팅이라는 새로운 관점에서 조망했다”며 “나노프린팅은 단순한 저비용 생산 수단을 넘어 메타표면의 성능과 기능을 결정짓는 핵심 기술로 진화하고 있다”고 설명했다. 

이번 연구는 재료 과학 분야 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처 리뷰 머티리얼즈(Nature Reviews Materials)’에 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]