POSTECH, 가시광 전 영역에서 작동하는 산업 호환형 고효율 메타표면 개발

비정질 TiO₂의 결정질 TiO₂로의 상전이 및 이를 통한 굴절률 증가. (자료제공: 포스텍)

포항공과대학교(POSTECH, 총장 김성근)는 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 성준화·전영선 씨, 박사 양영환(現 국립창원대 조교수) 연구팀이 기계공학과 안지환 교수 연구팀과 함께 눈에 보이는 모든 색의 빛을 자유롭게 다루면서 기존 반도체 공정과도 잘 맞는 초정밀 ‘빛 조종기술’을 개발했다고 8월 11일 밝혔다. 

메타표면은 일반 렌즈와 달리 아주 얇은 두께로도 빛의 위상과 편광, 진폭 등을 조절할 수 있는 초박막 광학 기술이다. 초소형 카메라, AR·VR 디스플레이, 보안 장치 등 차세대 광학 기술의 핵심으로 주목받고 있지만 지금까지의 메타표면은 빛을 충분히 통과시키지 못하거나(낮은 효율), 열에 약하고 복잡한 공정 탓에 실제 제품에 적용하기 어려웠다.

연구팀은 ‘실리콘 산화물(SiO₂)’ 기판에 빛을 잘 굽히는 ‘티타늄 산화물(TiO₂)’을 아주 얇게 덮는 방식으로 이를 해결했다. 기존 비정질 실리콘 산화물은 굴절률이 낮아 빛을 효과적으로 조절하지 못했지만, 250℃도 이하에서 티타늄 산화물을 ‘결정질 상태’로 만들고, 굴절률을 기존보다 0.43 높였다. 

이렇게 만든 26㎚ 두께의 결정질 티타늄 산화물 막 위에 정밀한 나노구조를 새기면 빛의 위상을 제어하는 ‘하이브리드 메타표면’이 완성된다. 이 표면은 하나의 구조로도 빨간색·초록색·파란색 각각에 최적화된 설계가 가능해, 빨간색(635㎚)과 초록색(532㎚)에서는 95%, 파란색(450㎚)에서도 75%의 높은 투과율을 달성했다. 이는 기존 메타표면의 20% 이하 효율을 4~5배 높인 수준이다.

주목할 만한 점은 이 기술이 단지 실험실 안에서만 가능한 게 아니라는 점이다. 연구팀은 전자빔 리소그래피를 이용해 직경 5㎜의 대면적 메타렌즈를 실제로 만들어 고해상도 이미징 성능을 입증했다. 또한 기존 반도체 공정과 완벽하게 호환되어 대량생산이 가능하고 비용도 크게 절약할 수 있다.

특히, 기존 고굴절 소재는 수백 ㎚ 두께로 증착해야 했던 반면, 30㎚ 이하의 얇은 박막만으로도 높은 효율을 얻을 수 있어, 후처리 공정의 자유도도 높다. 반사 방지나 오염 방지 코팅도 적용이 쉬워 산업 현장에서 유리하다.

노준석 교수는 “이번 연구로 스마트폰 카메라는 지금보다 더 얇고 선명해지며, AR·VR 기기는 안경처럼 가볍게 쓸 수 있게 될 것”이라며, “보안용 초정밀 광학 패턴과 의료용 초소형 진단 장비 개발에도 크게 기여할 것”이라고 전했다.

이번 연구는 POSCO홀딩스 N.EX.T IMPACT 과제 및 과학기술정보통신부·한국연구재단과 산업통상자원부/산업평가관리기술원의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘머터리얼즈 투데이(Materials Today)’에 최근 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]