차세대 디스플레이·이미징·광학센서 등에 폭넓게 활용
포스텍은 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 전영선·박채리 씨 연구팀이 AR·VR 기기를 더 얇고 가볍게 만들 수 있는 메타렌즈 기술을 개발, 관련 논문 두 건을 잇달아 발표했다고 11일 밝혔다.
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| ▲ 포스텍 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수(왼쪽부터), 포스텍 기계공학과 통합과정 전영선 씨, 포스텍 기계공학과 통합과정 박채리 씨. [포스텍 제공] |
성능과 대량생산이라는 메타렌즈 상용화의 두 숙제를 동시에 풀어낸 기술로 평가받으며 학계의 주목을 받고 있는 연구 성과는 '네이처 커뮤니케이션즈'에 연속 게재됐다.
'메타렌즈'는 나노 구조들을 촘촘히 배열해 빛의 방향을 원하는 대로 모아주는 얇은 렌즈다. 유리 렌즈를 여러 장 겹쳐 쓰던 기존과 달리 렌즈 한 장으로 같은 역할을 한다.
메타렌즈는 AR이나 VR 안경처럼 가볍고 얇은 기기를 만들 핵심 부품으로 꼽힌다. 문제는 RGB(빨강·초록·파랑) 빛을 한 점에 정확히 모으는 '무색수차' 성능이다. 이 성능을 값싸고 대량생산이 쉬운 저굴절률 소재로 구현하는 일이 어려웠다.
연구팀은 나노 기둥 '메타아톰'의 높이를 조절하는 방법으로 문제를 풀었다. 지금까지는 메타아톰의 가로 폭만을 조절해 빛을 다뤘다면 '높이'라는 새로운 요소를 더했다. 메타아톰마다 높이를 다르게 세워 RGB 빛을 원하는 지점에 정확히 모을 수 있게 했다.
첫 번째 연구에서는 '이광자 리소그래피'라는 3D 정밀 인쇄 기술로 복잡한 입체 나노 기둥을 직접 찍어냈다. 연구팀은 미리 만들어둔 다양한 나노 기둥 설계를 데이터베이스로 구축하고 인공지능이 위치마다 가장 알맞은 설계를 자동으로 골라 배치했다.
이를 통해 비교적 값싼 저굴절률 재료만으로도 색이 번지지 않는 풀 컬러 메타렌즈를 만들고 OLED 디스플레이와 결합한 실험에서 선명한 컬러 이미지를 확인했다.
두 번째 연구는 대량생산에 초점을 맞췄다. '그레이스케일 전자빔 리소그래피'로 높이 정보가 새겨진 나노 틀(템플릿)을 만들고 이를 도장처럼 찍어내는 '나노임프린트' 공정에 적용했다.
기존 나노임프린트는 같은 높이의 패턴만 반복해 찍어낼 수 있었지만 이번 기술은 서로 다른 높이의 구조도 한 번에 찍어낼 수 있어 성능과 생산성을 동시에 끌어올렸다.
두 연구에서 저굴절률 소재의 한계를 극복하고 실험실에서 가능했던 3D 메타렌즈를 실제 산업현장에서 찍어낼 수 있는 기술로 끌어올렸다. 메타렌즈의 성능과 대량으로 찍어내는 기술을 나란히 확보하면서 메타렌즈 상용화의 두 축을 동시에 세웠다는 평가다.
노준석 교수는 "고차원 나노 공정기술을 통해 AR·VR용 풀 컬러 무색수차 메타렌즈를 실제 산업에서 활용하기 위한 제조 기술을 제시했다"며 "더 가볍고 얇은 AR·VR 안경과 차세대 디스플레이는 물론, 이미징이나 광학센서 같은 다양한 광학 산업에도 폭넓게 활용될 것"이라고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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