기존 카메라 렌즈보다 수백 배 얇으면서도 빛을 자유자재로 조절하는 '메타렌즈'를 신문 인쇄하듯 초고속으로 대량 생산할 수 있는 기술이 개발됐다.

과학기술정보통신부는 성균관대 조규진·김인규 교수 연구팀과 포항공대 노준석 교수 연구팀이 가시광 영역에서 동작하는 메타렌즈를 초당 300개 이상 속도로 생산할 수 있는 롤투롤(R2R) 나노인쇄 공정 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

이번 연구는 최고 권위 국제학술지 네이처에 이날 실렸다.

메타렌즈는 빛의 위상과 진폭, 편광 등을 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 수준에서 자유자재로 조절할 수 있는 광학소자다.

기존 굴절 렌즈와 달리 표면이 평평하고 두께는 수백분의 1 수준으로 초박형 설계가 가능하고 정밀한 빛 제어도 가능하다.

하지만 메타렌즈를 만들려면 복잡하고 비싼 반도체 공정을 이용해야 해 실험실 수준 소량 생산에 머물러 왔다.

연구팀은 성균관대에서 개발한 롤투롤 인쇄 파운드리 기술을 활용해 유연 기판에 나노 구조체를 연속으로 찍어내는 공정을 독자 개발했다.

기존에는 딱딱한 니켈 금형을 사용해 메타렌즈를 하나씩 제작했지만, 유연 소재 고분자 복제 금형을 12인치 면적 원통형 롤러로 만들어 신문 인쇄하듯 연속 인쇄하는 기술이다.

특히 특수 표면처리 기술을 도입해 200m 길이 연속 공정에서도 첫 제작 렌즈와 마지막 렌즈 성능 편차가 없는 수준으로 신뢰성을 높였다고 연구팀은 설명했다.

이 시스템을 사용하면 기존 방식보다 100배 빠른 속도로 메타렌즈를 생산할 수 있으며 인쇄된 나노 구조체 위에 고굴절 이산화타이타늄층을 코팅해 가시광 영역에서 90% 이상 높은 광 효율을 보이는 데도 성공했다고 연구팀은 덧붙였다.

실제 실험에서 고성능 렌즈 기준인 슈트렐 비율(이론상 완벽한 렌즈와 비교해 초점에 빛을 얼마나 잘 집중시키는 나타내는 척도) 0.8 이상을 달성한 것으로 나타났다.

연구팀은 "그동안 고비용 문제로 상용화가 어려울 것으로 여겨졌던 메타렌즈를 실제 산업 현장 수준에서 대량 생산할 수 있음을 세계 최초로 입증한 성과"라며 "소자 설계부터 대량 고속 제조 공정까지 일체 기술력을 입증한 만큼 차세대 광학 산업 상용화와 R2R 인쇄 파운드리 플랫폼 구현을 앞당기는 핵심 토대가 될 것"이라고 밝혔다.