성균관대학교 생명물리학과·지능형정밀헬스케어융합전공 조규진·김인기 교수 연구팀이 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀과 공동으로, 가시광 영역에서 동작하는 ‘메타렌즈’를 초당 300개 이상의 속도로 생산할 수 있는 ‘롤투롤(Roll-to-Roll) 나노임프린팅’ 공정 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 그동안 실험실 수준의 소량 생산에 머물러 있던 메타렌즈 제작의 한계를 극복하고, 실제 산업 현장에 적용 가능한 초고속·저비용 대량 생산의 길을 열었다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 연구 결과는 세계 최고 권위의 국제 학술지인 ‘네이처(Nature)’에 4월 16일 온라인판으로 게재되어 학계의 주목을 받고 있다.

메타렌즈는 머리카락보다 수백 배 얇은 나노 구조체를 이용해 빛을 조절하는 초박형 광학 소자다. 기존의 크고 무거운 굴절 렌즈를 획기적으로 줄일 수 있어 차세대 광학 기술로 꼽히지만, 제작 과정에서 비싼 반도체 공정을 사용해야 해 상용화에 어려움이 있었다. 이에 공동연구진은 신문을 찍어내는 방식과 유사한 ‘롤투롤’ 공정을 적용했다. 유연한 기판 위에서 연속적으로 나노 구조를 형성하는 이 기술을 통해 연구팀은 기존 대비 100배 이상의 생산성을 확보했으며, 12인치 대면적 공정에서 1.5초마다 메타렌즈 어레이를 생산하는 데 성공했다.

연구팀은 생산성뿐만 아니라 렌즈의 성능도 극대화했다. 저굴절률 폴리머 구조 위에 이산화티타늄(TiO2) 박막을 원자층 증착(ALD) 방식으로 코팅하여, 빛을 모으는 효율을 기존 10% 수준에서 최대 90%까지 끌어올렸다. 이는 가시광선 전 영역에서 고해상도 이미징이 가능한 수준으로, 실제 실험 결과 회절 한계에 가까운 정밀한 초점 형성을 확인하였다.

성균관대 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 밝혔다. 또한 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 과기정통부 ERC R2R인쇄유연컴퓨터 개발 연구센터와 미래개척융합과학기술개발사업(글로벌융합연구지원사업, 미래유망융합기술파이오니아사업), 중견연구자지원사업, 삼성미래기술육성사업, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

▲ 롤투롤 나노임프린팅 기반 메타렌즈 대량 생산 공정

▲ 제작된 대면적 메타렌즈