광학 메타표면과 나노프린팅 공정의 융합 연구 흐름 개략도(사진 제공=POSTECH)
| 이코노미사이언스 신지원 기자 |
빛을 나노 수준에서 설계하는 ‘광학 메타표면’ 기술이 차세대 광학 산업의 핵심으로 떠오르는 가운데, 국내 연구진이 상용화를 가로막아 온 제조 공정 해법으로 ‘나노프린팅’ 기술을 제시했다.
POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수 연구팀은 나노프린팅 기술을 중심으로 광학 메타표면 제작 기술의 흐름과 향후 발전 방향을 정리한 리뷰 논문을 발표했다고 13일 밝혔다. 연구 결과는 재료과학 분야 학술지 ‘Nature Reviews Materials’에 게재됐다. 연구에는 기계공학과 오동교·김주훈 박사와 통합과정 강현정·강도현 씨가 참여했다.
광학 메타표면은 파장보다 작은 나노 구조를 평면에 배열해 빛의 위상과 세기, 편광을 정밀하게 제어하는 차세대 광학 소자다. 얇은 평면 구조만으로 렌즈나 광학 장치의 기능을 구현할 수 있어 메타렌즈, 홀로그래피 광학 소자, 차세대 광학 센서 등 다양한 분야에서 차세대 기술로 주목받고 있다.
문제는 제조 공정이다. 메타표면 제작에는 나노미터 수준의 정밀 패턴 형성이 필요해 그동안 전자빔 리소그래피(EBL) 같은 반도체 공정이 주로 사용돼 왔다. 해상도는 높지만 공정 속도가 느리고 비용이 높아 대면적 생산과 산업 적용에 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복할 대안으로 ‘나노프린팅' 기술에 주목했다. 나노 구조를 직접 인쇄하거나 전사하는 방식으로 빠른 공정 속도와 대면적 생산이 가능해 메타표면 상용화를 앞당길 수 있는 제조 기술로 평가된다.
대표적인 방식은 ‘나노임프린트 리소그래피(NIL)’와 ‘나노전사 프린팅(nTP)’이다. NIL은 마스터 몰드를 이용해 나노 패턴을 복제하는 방식으로 높은 해상도와 재현성을 확보할 수 있으며, 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정과 결합할 경우 대면적 광학 소자 생산도 가능하다.
nTP는 구조를 선택적으로 전사하는 방식으로 기존 반도체 공정으로 구현하기 어려운 광기능성 재료를 메타표면에 직접 통합할 수 있다는 장점이 있다.
재료 기술도 빠르게 진화하고 있다. 초기에는 자외선이나 열로 경화되는 폴리머 기반 소재가 주로 사용됐지만 낮은 굴절률로 인해 고효율 광학 소자 구현에 한계가 있었다. 최근에는 굴절률이 높은 나노복합체와 졸-겔 기반 무기 산화물, 능동 광학 재료 등이 활용되면서 메타표면의 성능과 설계 자유도가 크게 확장되고 있다.
노준석 교수(사진 제공=POSTECH )
노준석 교수는 “광학 메타표면 분야에서 오랫동안 걸림돌로 지적돼 온 제조 공정 문제를 나노프린팅이라는 관점에서 재정리했다”며 “나노프린팅이 단순한 저비용 공정을 넘어 메타표면의 성능과 기능을 좌우하는 핵심 제조 기술로 발전하고 있다”고 말했다.
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신지원 기자
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