연구진은 높은 성능을 가지면서도 부피는 작은 렌즈를 개발하기 위해 메타물질 기반 렌즈를 연구했다.

메타물질은 기존의 물질이 제공하지 못하는 음굴절, 초고굴절 등 다양한 광 특성을 자유자재로 제어할 수 있다. 이 같은 특성으로 초박막 평면렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토와 같이 이전에 없던 새로운 광학기기 구현이 가능하다.

하지만 매타물질을 제작할 때 쓰던 전자빔 리소그래피 공정은 속도가 느리고 단가가 비싸기 때문에 이를 통해 제작된 메타물질의 단가 역시 높을 수밖에 없다. 이 때문에 기존 메타물질 연구는 실험실 수준을 벗어나지 못했다.

타렌즈의 표면을 전자현미경으로 관찰한 모습(왼쪽)과 연구팀이 만든 지름 4㎜의 시험용 렌즈. /사진제공=과기정통부

연구진은 이런 한계를 극복하기 위해 메타물질 구현에 적합한 광특성을 가지고 자유자재로 성형이 가능한 나노복합재 기반의 새로운 나노성형소재를 만들고 한 번의 공정으로 성형할 수 있는 원스텝 프린팅 기술도 개발했다.

나노성형소재는 평소 액체상태로 존재하지만 빛을 받으면 딱딱한 플라스틱으로 굳는 성질을 가진 ‘감광응성 레진’에 나노입자를 섞어 제작했다.

이 경우 나노입자의 종류와 농도에 따라 나노성형소재의 광특성을 광범위하게 제어할 수 있어 메타물질 제작에 주로 사용돼 오던 기존의 소재를 대체할 수 있다. 소재 단가도 기존 소재에 비해 저렴해 경제성도 높다.

새로운 나노성형소재의 원스텝 프린팅 기술은 기존 전자빔 리소그래피에 비해 100배 이상 빠른 속도로 메타물질을 제작하며, 기존 공정 기술과는 호환이 어려운 곡면기판 및 유연기판 상에도 메타물질을 구현할 수 있어 최근 관심 받는 착용형 기기에 적용하는 것도 가능하다.

연구진은 실리콘 나노 복합재와 프린팅 기술을 바탕으로 머리카락 두께보다 100배 이상 얇은 1 마이크로미터 두께의 초박막 메타렌즈를 실제로 개발하고 응용 가능성도 검증했다.

노 교수는 “이번 연구에서 구현된 초박막 메타렌즈는 동일한 광학적 특성을 가진 기존의 적외선 굴절렌즈보다 1만 배 얇기 때문에 크고 무거운 굴절렌즈로 인한 여러 가지 문제들을 해결할 수 있을 것”이라며 “향후 적외선 내시경, CCTV, 야간투시경 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘ACS 나노’에 게재됐다.