금속 렌즈를 적은 비용으로 상용화할 수 있습니까?

빛을 조작할 수 있는 나노 인공 구조물인 메탈렌즈는 전통적인 광학 부품의 크기와 두께를 크게 줄일 수 있는 기술을 제공합니다. 특히 근적외선 영역에서 효과적인 이 기술은 ‘자율주행차의 눈’으로 불리는 라이다(LiDAR), 소형 드론(Drone), 혈관 탐지기 등 다양한 응용 분야에서 큰 가능성을 가지고 있습니다. 그 잠재력에도 불구하고, 현재의 기술은 손톱만한 크기의 메탈렌즈를 제작하는 데에도 수천만 원이 필요하여 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 다행스럽게도, 최근의 획기적인 발견은 생산 비용을 1000분의 1로 줄이겠다는 가능성을 보여줍니다.


포항공대 기계공학과 문성원 교수와 김주훈 박사, 고려대 재료과학공학과 이헌·찬웅·김원중 교수 등으로 구성된 공동연구팀(포스코-포스텍-RIST 융합연구팀)은 금속렌즈를 대량 생산하고 넓은 표면에서 제조하는 두 가지 혁신적인 방법을 제안했습니다. 그들의 연구는 광학 및 응용물리학 분야의 국제 학술지인 Laser & Photonics Reviews에 실렸습니다.

포토리소그래피는 실리콘 웨이퍼에 빛을 이용해 패턴을 각인시켜 금속 감각을 만드는 데 사용되는 공정으로, 제작의 한 단계입니다. 일반적으로 빛의 해상도는 파장에 반비례하는데, 이는 파장이 짧을수록 해상도가 높아져 더 미세하고 세밀한 구조물을 만들 수 있다는 것을 의미합니다. 이 연구에서 연구팀은 자외선의 파장이 짧은 공정인 deep-UV 포토리소그래피를 선택했습니다.

연구팀은 최근 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 발표된 바와 같이, 깊은 자외선 포토리소그래피를 이용하여 가시광선 영역의 메탈렌즈 양산을 달성했습니다. 하지만, 기존의 방식이 적외선 영역에서 낮은 효율을 보여주면서 어려움이 생겼습니다. 이 한계를 극복하기 위해 연구팀은 적외선 영역에서 높은 굴절률과 낮은 손실을 가진 소재를 개발했습니다. 이 소재는 기존 양산 공정에 통합되어 8인치 웨이퍼에 직경 1cm의 거대한 적외선 메탈렌즈를 성공적으로 제작했습니다. 특히, 렌즈는 0.53의 뛰어난 개구수(NA)를 자랑하여 회절 한계에 근접한 고해상도와 함께 뛰어난 집광 능력을 강조합니다. 원통형 구조는 또한 편광에 독립적이어서 빛의 진동 방향에 관계없이 우수한 성능을 보장합니다.

두 번째 방법으로, 연구팀은 금형을 이용하여 나노 구조물을 인쇄할 수 있는 공정인 나노 임프린트를 사용했습니다. 이 공정은 RIST와의 공동 연구를 통해 축적된 나노 임프린트 기술 노하우를 활용했습니다. 이 노력은 연구팀이 4인치 웨이퍼 위에 약 1억 개의 직사각형 나노 구조물로 구성된 직경 5mm의 메탈렌을 대량 생산함으로써 성공적임이 입증되었습니다. 특히, 이 메탈렌은 0.53의 조리개를 자랑하는 인상적인 성능을 보였습니다. 직사각형 구조물은 빛의 진동 방향에 효과적으로 반응하는 편광 의존적인 특성을 보였습니다.

이 성과를 바탕으로 연구팀은 고해상도 영상 시스템을 통합하여 양파 표피와 같은 실제 샘플을 관찰하여 메탈렌즈의 상용화 가능성을 검증했습니다. 이 연구는 전통적인 일대일 메탈렌즈 생산 공정의 한계를 극복했다는 의미가 있습니다. 특정 응용 분야에 맞춘 편광 의존적 특성과 독립적 특성을 모두 갖춘 광학 장치의 제작을 용이하게 할 뿐만 아니라 메탈렌즈의 생산 비용을 최대 1,000배까지 절감할 수 있습니다.

연구를 이끈 노준석 교수는 “우리는 웨이퍼 규모에서 센티미터 크기에 이르는 고성능 메탈렌즈의 정확하고 빠른 생산을 달성했습니다.”라고 말했습니다. 그는 “우리의 목표는 메탈렌즈의 산업화를 촉진하고 효율적인 광학 장치와 광학 기술의 발전을 촉진하는 것입니다.”라고 덧붙였습니다

포스코 산학통합연구센터와 STEAM 연구 프로그램, RLRC 프로그램, 나노소재 기술개발 프로그램, 과학기술정보통신부 미래소재 발굴 프로그램의 지원을 받아 연구를 진행했습니다.

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