성균관대학교 생명물리학과·지능형정밀헬스케어융합전공의 조규진·김인기 교수 연구팀과 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 협력하여, 가시광선 영역에서 동작하는 메타렌즈를 초당 300개 이상 생산할 수 있는 롤투롤 나노임프린팅 공정 기술을 개발했다.
(왼쪽부터) 성균관대 조규진 교수, 포항공대 노준석 교수, 성균관대 김인기 교수 (사진= 성균관대 제공)
연구진은 기존의 반도체 공정에 비해 100배 이상의 생산성을 확보한 롤투롤 공정을 도입함으로써, 메타렌즈의 대량 생산이 가능해졌다고 설명했다. 이 방식은 신문 인쇄와 유사하게 유연한 기판 위에 연속적으로 나노 구조를 형성하여, 12인치 대면적 공정에서 1.5초마다 메타렌즈 어레이를 생산하는 성과를 거뒀다.
메타렌즈는 머리카락보다 수백 배 얇은 나노 구조체를 활용해 빛을 조절하는 초박형 광학 소자로, 기존의 크고 무거운 굴절 렌즈를 대체할 차세대 광학 기술로 주목받고 있다. 그러나 그동안 비싼 반도체 공정으로 인해 상용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 저굴절률 폴리머 구조 위에 이산화티타늄 박막을 원자층 증착 방식으로 코팅해, 빛을 모으는 효율을 기존의 10%에서 최대 90%까지 향상시켰으며, 실험 결과 가시광선 전 영역에서 회절 한계에 가까운 정밀한 초점 형성이 확인됐다.
이번 성과는 실험실 수준의 소량 생산에 머물던 메타렌즈 제작의 한계를 극복하고, 산업 현장에 적용 가능한 초고속·저비용 대량 생산의 길을 열었다는 점에서 의의가 있다. 연구 결과는 네이처 4월 16일 온라인판에 게재되어 학계의 관심을 모았다.
조규진 교수는 이번 기술이 환경오염 없이 고속 대량 생산이 가능한 저비용 제조 기술임을 강조하며, 지속 가능한 분산형 롤투롤 인쇄 파운드리 플랫폼으로서 전 세계로 확장될 수 있는 'K-제조 플랫폼'으로 성장할 것이라고 밝혔다. 김인기 교수는 세 연구 그룹의 설계, 제작, 응용 기술이 집약되어 세계 최고 수준의 완성도를 달성했으며, 메타렌즈의 대량생산이 가능해지면서 로봇, 드론, 초소형 카메라, 바이오 및 의료 영상용 현미경 등 다양한 분야에 적용될 것이라고 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 ERC R2R인쇄유연컴퓨터 개발 연구센터, 미래개척융합과학기술개발사업, 중견연구자지원사업, 삼성미래기술육성사업, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업의 지원을 받아 진행됐다.
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