높이 다른 나노기둥으로 메타렌즈 상용화 앞당겨

포스텍 노준석 기계공학과·융합대학원 교수 연구팀이 빨강·초록·파랑 빛을 한 지점에 모아 선명한 풀 컬러 영상을 구현하는 메타렌즈 기술 두 건을 개발했다. 저굴절률 소재로 색 번짐을 줄이는 성능과 서로 다른 높이의 나노 구조를 대량 복제하는 공정을 함께 확보한 연구성과는 최근 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 연속 게재됐다.

연구팀은 메타렌즈를 구성하는 나노 기둥인 ‘메타아톰’의 가로 폭뿐 아니라 높이까지 설계 변수로 활용했다. 첫 연구에서는 3D 정밀 인쇄 방식인 이광자 리소그래피로 입체 나노 기둥을 제작하고, 다양한 설계를 데이터베이스로 구축했다. 인공지능은 렌즈의 각 위치에 적합한 구조를 자동으로 골라 배치했다. 이렇게 만든 저굴절률 메타렌즈를 OLED 디스플레이와 결합한 실험에서 선명한 컬러 이미지가 확인됐다.

메타렌즈는 나노 구조를 촘촘히 배열해 빛의 진행 방향을 제어하는 얇은 렌즈다. 여러 장의 유리 렌즈가 맡던 기능을 한 장에 구현할 수 있어 가볍고 얇은 AR·VR 안경의 핵심 부품으로 꼽힌다. 다만 RGB 빛을 같은 초점에 모으는 무색수차 성능을 값싸고 대량생산하기 쉬운 저굴절률 소재로 구현하기 어려웠다. 메타아톰마다 높이를 달리한 이번 설계는 이 소재의 한계를 보완하는 해법이다.

두 번째 연구는 그레이스케일 전자빔 리소그래피로 높이 정보가 담긴 나노 템플릿을 만든 뒤 나노임프린트 공정으로 복제하는 방식에 초점을 맞췄다. 같은 높이의 패턴만 반복하던 기존 공정과 달리 높이가 다른 구조를 한 번에 찍어 성능과 생산성을 함께 높였다. 연구팀은 이 제조 기술이 AR·VR용 풀 컬러 무색수차 렌즈와 차세대 디스플레이, 이미징, 광학센서에 활용될 가능성을 제시했다. 연구는 포스코 산학융합연구소와 한국연구재단, 산업통상부, 정보통신기획평가원 등의 지원으로 수행됐다.