자외선 영역도 제어 가능한 광학 소자 프린팅 공정 개발

- 메타표면 프린팅으로 차세대 광소자 실용 제작 기술 선도

국내 연구진이 가시광선은 물론 자외선 영역까지 빛 제어가 가능한 메타표면1)을 가공하는 저비용·고효율 프린팅 공정을 개발하여 반도체 산업 등 첨단산업의 초격차 경쟁력 강화에 기여했다.

  한국연구재단(이사장 이광복)은 노준석 교수(포항공과대학교)와 이헌 교수(고려대학교) 공동연구팀이 수십 나노미터 해상도의 메타표면을 고굴절 재료를 이용하여 도장을 찍듯이 간단히 프린팅하는 가공 기술을 개발했다고 지난달 6일 밝혔다.

  메타표면은 빛의 파장보다 작은 구조체를 주기적으로 배열한 인공물질로 원하는 파장의 빛을 자유롭게 제어할 수 있으며, 매우 얇고 가벼워 기존 광소자를 대체할 차세대 광소자로 주목받고 있다. 하지만, 가시광선에서 심자외선2) 영역으로 갈수록 빛의 파장이 짧아지기 때문에 메타표면 구조체 제작을 위해서는 초정밀 공정 기술이 요구된다. 기존의 극자외선 리소그래피 공정은 비용이 천문학적이며, 고해상도의 전자빔리소그래피 공정은 속도가 매우 느려 메타표면 실용화에 어려움이 있었다.

  연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 먼저 지르코니아(ZrO₂)3) 나노입자가 첨가된 고굴절 레진을 개발하였다. 더불어 정밀한 전자기학 설계기술로 고성능 자외선 메타표면을 설계하고, 나노임프린트(NIL)4) 공정을 이용해 메타표면을 구현하였다.

연구팀은 지르코니아 나노입자의 가시광 파장 영역에서 연구되던 활용도를 자외선 영역까지 확장하여 해당 물질의 실용도를 대폭 높였다. 해당 공정으로 구현된 메타표면은 실제로 자외선(325nm) 및 심자외선(248nm) 파장에서 각각 72.3%와 48.6%의 높은 빛 제어 효율을 달성하여 고성능 메타표면의 실용적 생산 가능성을 입증하였다.

노준석 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 메타표면의 실용적 제작 기술은 제어 가능한 빛의 파장 범위를 확대하고, 프린팅 방식의 빠른 생산성을 동시에 확보하였다”라며, “고성능 메타표면의 저비용 생산을 통해 메타표면 실용화를 앞당기는 교두보가 될 것”이라고 설명했다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학분야 국제학술지 ‘Light: Science & Applications’에 3월 8일 게재됐다.

[연구결과 개요]

1. 연구의 필요성

나노 구조체의 주기적인 배열로 이루어진 메타표면은 빛을 자유자재로 조절할 수 있고, 매우 얇은 두께와 가벼운 무게를 가지기 때문에 굴절광학을 대체할 광학계로 주목을 받아왔다. 하지만, 지금까지 메타표면의 작동파장은 가시광 이상 영역의 파장에 제한되어 있었고, 자외선 영역의 메타표면은 구현되지 못했다. 그 이유는 크게 두 가지인데, 첫 번째는 물질적 한계로 자외선 영역에서 투명하면서 고굴절률을 가진 물질이 매우 희소하기 때문이고, 두 번째는 공정적 한계로 메타표면이 작동 파장보다 작은 주기를 필요로 하는 만큼 작동 파장이 작아질수록 더 높은 해상도의 공정 기술이 뒷받침 되어야 하기 때문이다.

  따라서 기존 메타표면 공정은 전자빔리소그래피(electron beam lithography, EBL) 공정과 같은 높은 해상도의 패터닝 기술을 통해 이루어졌지만, 전자빔리소그래피 공정은 해상도가 높은 대신 공정속도가 매우 느리며, 고해상도 나노구조의 대면적 제작을 위한 광학 기반 공정으로 심자외선(deep UV, DUV) 또는 극자외선(extreme UV, EUV) 포토리소그래피 공정이 반도체 분야에서 쓰이고 있지만, 해당 공정은 생산 비용이 천문학적으로 높아 메타표면 상용화에 어려움을 겪고 있다.

2. 연구내용

노준석 교수 및 이헌 교수 공동연구팀은 지르코니아(Zirconium dioxide, ZrO2) 나노복합재 잉크를 이용해 기존의 물질적, 공정적 한계를 모두 극복하고 자외선 메타표면을 낮은 가격과 빠른 속도로 제작할 수 있는 방식을 선보였다.

  제작된 이산화 지르코니아 나노복합재는 높은 밴드갭(band gap)을 가져 자외선 흡수가 없이 투명하며, 높은 굴절률을 가지도록 개발되었다. 또한, 개발된 나노복합재는 단일 프틴팅 방식에 응용 될 수 있고, 나노임프린트에 사용되는 모든 몰드는 재사용이 가능하기 때문에, 매우 낮은 가격에 빠른 공정속도로 자외선 메타표면을 생산할 수 있다.

  지르코니아 나노복합재의 높은 굴절률과 낮은 흡수율 덕분에, 제작된 메타표면은 325nm 파장에서 88%, 248nm 파장에서 81%의 높은 이론적 빛 제어 효율을 가졌으며, 이러한 값은 실험적 효율(72.3% @ 325nm, 48.6% @ 248nm)로도 검증되었다.

3. 연구성과/기대효과

지금까지 자외선 영역에서 작동하는 메타표면 연구는 현재까지 전세계적으로 매우 드물게 보고되었고, 보고된 자외선 메타표면들은 모두 낮은 효율이나 공정적 한계를 가지고 있었다.
  이번 연구는 가시광선이나 적외선 영역에 국한되었던 메타표면 연구를 자외선 영역까지 넓히는 계기가 될 것으로 보인다. 또한, 이번 연구를 통해 메타표면이 실제로 고해상도 자외선 이미징이나 포토리소그래피 등 다양한 자외선용 광학계에 대체되어 사용될 가능성을 보여줌으로써 메타표면의 실용적인 적용이 활발해질 것으로 기대된다.

(그림1) 지르코니아 나노입자 레진을 이용한 자외선 메타표면 프린팅 공정
위 그림은 메타표면을 간단하게 원스텝으로 공정할 수 있는 새로 개발된 공정법의 도식도입니다. 전자빔리소그래피(electron-beam lithography; EBL)를 이용하여 마스터 몰드를 한 번 만들게 되면, 마스터 몰드를 통해서 여러 개의 소프트 몰드를 계속해서 만들 수 있고, 각각의 소프트 몰드는 새로 개발된 지르코니아 나노복합재 잉크를 통해서 그대로 전사될 수 있습니다. 지르코니아 나노 복합재 잉크는 자외선 영역에서 높은 굴절률과 낮은 흡수율을 가지며 자외선 빛에 쉽게 경화되기 때문에 다양한 기판 위에 원하는 구조체를 간단히 형성할 수 있어 실용도가 매우 높습니다. (그림설명/제공 : 포항공과대학교 노준석 교수, 고려대학교 이헌 교수)

(그림2) 제작된 메타표면 실제 구조 사진 및 고효율 홀로그램 구현
메타표면 기반 자외선 홀로그램 구현에 대한 그림입니다. 왼쪽 부분과 같이 지르코니아 나노복합재 잉크로 제작된 메타표면에 자외선 빛이 입사하게되면, ‘Near-UV’ 혹은 ‘Deep-UV’라는 홀로그램이 나타나게 됩니다. 홀로그램 이미지는 정교한 전자기학 설계를 바탕으로 다양하게 변경이 가능하기 때문에 위조방지 자외선 홀로그램, 포토리소그래피 렌즈 등 다양한 곳에 응용될 수 있습니다. (그림설명/제공 : 포항공과대학교 노준석 교수, 고려대학교 이헌 교수)

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