(왼쪽부터) 성균관대 조규진 교수, 포항공대 노준석 교수, 성균관대 김인기 교수. 제공=성균관대
성균관대학교(총장 유지범)는 생명물리학과·지능형정밀헬스케어융합전공 조규진·김인기 교수 연구팀과 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 협력해 가시광 영역에서 동작하는 메타렌즈를 초당 300개 이상 생산할 수 있는 ‘롤투롤(Roll-to-Roll) 나노임프린팅’ 공정을 구현했다고 밝혔다.
이번 성과는 실험실 수준에 머물던 메타렌즈 제작을 산업 현장으로 확장할 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 4월 16일자 온라인판에 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.
메타렌즈는 나노 구조를 활용해 빛을 제어하는 초박형 광학 소자로, 기존 렌즈 대비 크기와 무게를 획기적으로 줄일 수 있어 차세대 기술로 꼽힌다. 다만 고가의 반도체 공정이 필요해 상용화에 한계가 있었다.
연구팀은 신문 인쇄 방식과 유사한 롤투롤 공정을 적용해 유연한 기판 위에 나노 구조를 연속적으로 형성하는 데 성공했다. 이를 통해 기존 대비 100배 이상의 생산성을 확보했으며, 12인치 대면적 공정에서 1.5초마다 메타렌즈 어레이를 생산하는 성과를 거뒀다.
성능 측면에서도 개선이 이뤄졌다. 연구진은 저굴절률 폴리머 위에 이산화티타늄(TiO₂) 박막을 원자층 증착(ALD) 방식으로 코팅해 빛 집속 효율을 기존 약 10%에서 최대 90% 수준까지 끌어올렸다. 이에 따라 가시광 전 영역에서 고해상도 이미징이 가능해졌으며, 실험에서는 회절 한계에 가까운 초점 형성이 확인됐다.
조규진 교수는 “이번 기술은 환경오염 없이 고속 대량 생산이 가능한 저비용 제조 기술”이라며 “지속 가능한 분산형 롤투롤 인쇄 파운드리 플랫폼으로서 전 세계로 뻗어나가는 ‘K-제조 플랫폼’으로 성장할 것”이라고 포부를 전했다.
김인기 교수는 “세 연구 그룹의 설계, 제작, 응용 기술이 집약되어 세계 최고 수준의 완성도를 이뤄냈다”며 “이제는 메타렌즈의 대량생산이 가능해지면서 로봇･드론 등에 활용이 가능한 초소형 카메라 및 바이오･의료 영상을 위한 현미경 등에도 메타렌즈가 활발히 적용될 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 ERC R2R인쇄유연컴퓨터 개발 연구센터와 미래개척융합과학기술개발사업(글로벌융합연구지원사업, 미래유망융합기술파이오니아사업), 중견연구자지원사업, 삼성미래기술육성사업, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
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