투롤 나노임프린팅 기반 메타렌즈 대량 생산 공정 (사진제공=과기정통부)
[뉴스웍스=문병도 기자] 기존 카메라 렌즈보다 수백 배 얇은 '메타렌즈'를 신문 인쇄하듯 초고속으로 대량 생산할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
조규진·김인기 성균관대 교수팀과 노준석 포항공대 교수팀은 공동으로 가시광 영역에서 작동하는 메타렌즈를 초당 300개 이상 생산할 수 있는 '롤투롤 나노 인쇄' 공정 기술을 개발했다.
메타렌즈는 나노미터(nm) 수준의 미세 구조체를 평면 위에 배열해 빛의 위상·진폭·편광을 정밀하게 조절하는 차세대 광학소자다. 기존 렌즈가 유리나 플라스틱의 굴절률을 이용해 빛을 휘는 것과 달리, 표면에 새겨진 수천만 개의 나노 기둥이 빛의 경로를 나노미터 단위로 제어한다. 두께는 기존 렌즈의 수백분의 1에 불과하면서도 복수의 광학 기능을 단일 소자로 구현할 수 있어 '렌즈의 혁명'으로 불린다.
메타렌즈의 잠재력은 2010년대 초반부터 학계의 주목을 받아왔다.
미국 하버드대 페데리코 카팔소 교수팀이 2016년 가시광 영역 메타렌즈를 처음 구현한 이후 MIT·스탠퍼드 등 세계 주요 대학과 삼성전자·애플·소니 등 글로벌 기업들도 관련 특허 경쟁에 뛰어들었다. 애플은 아이폰의 '페이스 ID' 센서를 시작으로 2026년경 출시될 AR(증강현실) 글라스에 메타렌즈를 탑재하기 위해 공급망을 정비 중인 것으로 알려졌고 삼성전자 역시 초소형 메타렌즈를 활용해 모바일 기기의 슬림화와 성능 향상을 꾀하고 있다.
하지만 제작에 전자빔 리소그래피(EBL) 등 반도체 공정 장비가 필요해 렌즈 한 개를 만드는 데 수십 분~수 시간이 걸리고 비용도 막대했다.
연구의 핵심은 반도체 공정을 우회해 인쇄 공정으로 메타렌즈를 찍어내는 발상의 전환이다. 연구팀은 유연한 고분자 소재로 12인치 면적의 원통형 롤러 금형을 제작했다. 이 롤러를 회전시키며 기판 위에 나노 구조체를 연속으로 찍어내는 방식으로, 마치 신문 윤전기가 종이 위에 글자를 찍듯 렌즈를 생산한다. 특수 표면처리 기술을 적용해 200m 길이 연속 공정에서도 첫 번째와 마지막 렌즈의 성능 편차가 없는 신뢰성을 확보했다.
찍어낸 나노 구조체 위에 원자층 증착(ALD) 방식으로 고굴절 이산화티타늄(TiO2) 층을 코팅해 가시광 영역 90% 이상의 광 효율을 달성했다. 생산 속도는 기존 대비 약 100배 빠른 초당 300개 이상이다.
파급력은 상당하다. 스마트폰 카메라는 현재 여러 장의 렌즈를 겹쳐 쓰는 구조여서 후면 카메라 돌출하는 '카툭튀'가 불가피하다.
메타렌즈는 이를 얇은 평면 한 장으로 대체할 수 있어 스마트폰 디자인을 근본적으로 바꿀 기술로 꼽힌다. AR 글라스, 초정밀 의료 영상 장비, 우주 광학 시스템 등 빛의 정밀 제어가 필요한 전 산업으로 확장이 가능하다. 대량 생산 공정 확립은 메타렌즈 상용화 경쟁에서 사실상 선점을 의미한다. 시장조사업체들은 메타렌즈 시장이 2030년대 중반까지 수십조 원 규모로 성장할 것으로 전망하고 있다.
연구팀이 보유한 롤투롤 인쇄 파운드리 기술은 향후 반도체·디스플레이 분야의 파운드리(위탁 생산) 모델처럼 메타렌즈 전문 생산 플랫폼으로 발전할 가능성도 있다. 성균관대 선도연구센터가 추진 중인 'R2R 인쇄 파운드리 플랫폼'이 가시화되면 국내 광학 산업의 글로벌 공급망 편입도 가속화될 전망이다. 연구성과는 '네이처' 4월 16일자에 실렸다.
조규진(왼쪽) 교수, 노준석 교수 (사진제공=과기정통부)
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