7월 과학기술인상, 노준석 포항공대 교수 선정

- 초박막 메타렌즈 대량 생산용 소재 및 가공 기술 개발 

                                        노준석 교수 (자료제공: 과기부)

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 7월 수상자로 노준석 포항공과대학교 기계공학과 교수를 선정했다고 7월 4일 밝혔다.

  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다. 

  과기정통부와 연구재단은 노준석 교수가 하이브리드 고굴절 소재와 나노 공정 기술을 기반으로 초박막 메타렌즈(메타렌즈: 파장보다 작은 나노구조체의 배열로 이루어진 평면 광학소자. 나노미터(nm·10억분의 1m) 수준의 두께로 경량화에 유리하고 높은 고해상도 이미징 등이 가능하다.)의 대량 생산에 성공해 초소형 광학기기 개발의 새로운 가능성을 제시한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다. 

  메타렌즈는 아주 얇으면서 빛을 원하는 만큼 원하는 방향으로 자유롭게 조절할 수 있어 초고분해능 현미경, 음굴절 물질, 스텔스 기술 등 혁신적인 첨단 분야에 응용될 수 있는 미래 기술이다. 

  하지만 메타렌즈는 나노구조체로 이루어져 있어 관련 공정을 위해서는 고해상도 패터닝 기술이 필요한 데 이러한 기술은 공정 속도가 느리고 생산 단가가 높아 연구용의 소형 메타렌즈의 소량 공정만 가능하고 대량 생산과 상용화에는 한계가 있었다. 

  노준석 교수는 소재 부분의 난제였던 초고가의 고굴절 소재를 대체하기 위해 기존 폴리머에 고굴절 원자층 박막을 20나노미터(nm) 정도로 매우 얇게 코팅하여 렌즈 효율을 10%에서 90%까지 끌어올릴 수 있는 하이브리드 고굴절 소재를 구현하였다. 

  공정 부분에서는 전자빔 리소그래피, 포토 리소그래피, 나노 임프린트 리소그래피(전자빔 리소그래피: 전자빔을 원하는 모양대로 감광막에 조사(照射)하여 패턴을 제조하는 방법. 포토 리소그래피: 빛을 이용한 기판 인쇄를 통해 패턴을 제조하는 방법. 나노 임프린트 리소그래피: 도장을 찍듯 하나의 몰드로 여러 개의 복제품을 만들어 내는 방법.) 등 3가지 나노 공정 기술을 복합적으로 사용하여 가시광선 영역에서 작동하는 메타렌즈를 12인치 웨이퍼에 대량 생산할 수 있는 기술을 개발, 생산 단가를 기존 대비 300분의 1 수준으로 낮추는 효과를 거뒀다. 

  이렇게 대량 생산된 고효율의 메타렌즈는 가상현실(VR)·증강현실(AR)·혼합현실(MR)기기를 얇고 가볍게 더 좋은 성능으로 만들 수 있고, 기존의 굴절 광학계 및 회절 광학계를 대체할 수 있는 가능성을 높였다. 관련 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 머터리얼즈(Nature Materials)’에 2023년 3월 게재됐다. 

  노준석 교수는 “메타렌즈는 2019년 다보스포럼에서, 혁신성을 인정받아 세계10대 기술로 뽑혔지만, 비싼 가격으로 제조혁신이 요구되었다”라며 “이번 연구는 미래 광학 기술의 핵심인 가시광선 영역의 메타렌즈 대량 생산을 세계 최초로 성공한 데 의의가 있다”고 말했다.

 또한 “앞으로 공상과학 영화에서나 볼 수 있었던 초소형 증강현실 안경과 초현실 홀로그래피와 같은 미래 광학기기 개발에 선도적인 역할을 수행할 것”이라고 수상 소감을 밝혔다.

[주요 연구성과 설명]

<초박막 메타렌즈의 대량 생산용 소재 및 가공 기술 개발>

ㅇ 메타렌즈 대량 생산을 위한 생산 기술 (자료제공: 과기부)

메타렌즈(메타표면)는 나노미터 수준의 두께를 가져 경량화에 유리할 뿐만 아니라 고해상도 이미징 등 성능도 기존 광학계에 비해 월등하다. 나노구조체로 이루어진 특성상 메타렌즈 공정을 위해서는 고해상도 패터닝 기술이 요구된다. 하지만 이러한 고해상도 패터닝 기술은 공정 속도가 매우 느리고 공정 비용이 비싸 연구용의 작은 스케일의 메타렌즈 공정만 구현되었다. 이번 기술은 반도체에서 사용되는 포토리소그래피와 웨이퍼 스케일 나노임프린트 리소그래피를 사용하여 메타렌즈를 대량 생산할 수 있는 가능성을 세계 최초로 선보였다. 

ㅇ 대량 생산된 메타렌즈의 효율을 증폭시키는 기술과 그 응용 (자료제공: 과기부)

임프린트 레진의 굴절률이 1.5 정도로 매우 낮기 때문에 임프린트 레진으로 패터닝된 메타렌즈는 효율이 최대 15% 정도 수준밖에 나오지 않는다. 따라서 위의 대량생산 공정법으로 패터닝을 진행하더라도 기존의 물질로는 효율이 높지 않아 상용화가 어려웠다. 이번 기술은 얇은 고굴절률 막을 증착함으로써 효율을 90%까지 올리는 하이브리드 소재를 개발하였다. 이렇게 대량 생산된 고효율의 메타렌즈는 VR/AR 기기를 얇고 가볍게, 그리고 더 좋은 성능으로 만들 수 있으며, 자외선 영역 메타렌즈의 경우 나노미터 수준까지 고해상도로 이미징이 가능해 굴절 광학계를 대체하고 새로운 패러다임이 광학계에 열릴 것으로 기대된다. 

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]