제작된 메타표면 실제 구조 사진 및 고효율 홀로그램 구현.[포스텍 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 가시광선은 물론 자외선 영역까지 빛 제어가 가능한 메타표면을 가공하는 저비용·고효율 프린팅 공정을 개발, 반도체 산업 초격차 경쟁력 강화에 기여했다.

한국연구재단은 포스텍 노준석 교수와 고려대 이헌 교수 공동연구팀이 수 십 나노미터 해상도의 메타표면을 고굴절 재료를 이용하여 도장을 찍듯이 간단히 프린팅하는 가공 기술을 개발했다고 밝혔다.

메타표면은 빛의 파장보다 작은 구조체를 주기적으로 배열한 인공물질로 원하는 파장의 빛을 자유롭게 제어할 수 있으며, 매우 얇고 가벼워 기존 광소자를 대체할 차세대 광소자로 주목받고 있다.

하지만 가시광선에서 심자외선 영역으로 갈수록 빛의 파장이 짧아지기 때문에 메타표면 구조체 제작을 위해서는 초정밀 공정 기술이 요구된다. 기존의 극자외선 리소그래피 공정은 비용이 천문학적이며, 고해상도의 전자빔리소그래피 공정은 속도가 매우 느려 메타표면 실용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 먼저 지르코니아(ZrO2) 나노입자가 첨가된 고굴절 레진을 개발했다. 이어 정밀한 전자기학 설계기술로 고성능 자외선 메타표면을 설계하고, 나노임프린트(NIL) 공정을 이용해 메타표면을 구현했다.

연구팀은 지르코니아 나노입자의 가시광 파장 영역에서 연구되던 활용도를 자외선 영역까지 확장하여 해당 물질의 실용도를 대폭 높였다.

노준석 포스텍 기계공학과 교수.[포스텍 제공]

해당 공정으로 구현된 메타표면은 실제로 자외선(325 nm) 및 심자외선(248 nm) 파장에서 각각 72.3%와 48.6%의 높은 빛 제어 효율을 달성하여 고성능 메타표면의 실용적 생산 가능성을 입증했다.

노준석 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 메타표면의 실용적 제작 기술은 제어 가능한 빛의 파장 범위를 확대하고, 프린팅 방식의 빠른 생산성을 동시에 확보했다”며 “고성능 메타표면의 저비용 생산을 통해 메타표면 실용화를 앞당기는 교두보가 될 것”이라고 설명했다.

한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 광학분야 국제학술지 ‘빛: 과학과 응용’ 3월 8일 게재됐다.