신문처럼 찍어내는 렌즈 시대…국산 메타렌즈 대량생산 길 열렸다[과학을읽다]

성균관대·포스텍, 초당 300개 생산…상용화 병목 풀며 광학시장 판도 전환

스마트폰 카메라 돌출과 AR 안경의 두께 한계를 바꿀 메타렌즈 대량생산 시대가 국내 연구진 손에서 열렸다. 기존 반도체 공정에 묶여 실험실 수준에 머물던 초박형 메타렌즈를 신문 인쇄처럼 연속 생산하는 롤투롤(R2R) 공정이 세계 최초로 구현되면서, 차세대 광학 부품의 상용화 시계가 크게 앞당겨졌다.

과학기술정보통신부는 성균관대 조규진·김인기 교수 연구팀과 포항공대 노준석 교수 연구팀이 가시광 메타렌즈를 초당 300개 이상 생산하는 롤투롤 나노임프린트 공정 기술을 공동 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.

롤투롤 나노임프린팅 기반 메타렌즈 대량 생산 공정. (a)폴리머 몰드 제작 및 이를 활용한 롤투롤. (b)연구팀에서 활용한 성균관대 선도연구센터 롤투롤 나노임프린팅 설비 사진. 연구진 제공

메타렌즈는 빛의 위상과 진폭, 편광을 나노미터 수준에서 제어하는 차세대 평면 광학소자다. 기존 굴절 렌즈보다 수백 배 얇으면서도 정밀한 초점 제어가 가능해 스마트폰, AR 글라스, 의료 영상, 우주 광학 시스템의 핵심 부품으로 꼽혀왔다. 하지만 심자외선 포토리소그래피나 전자빔 공정이 필요해 비용이 높고 생산 속도가 느려 상용화의 벽이 높았다.

초당 300개·생산성 100배…메타렌즈 '산업 부품화'

연구팀은 기존의 딱딱한 니켈 금형 대신 유연한 고분자 복제 금형을 12인치 원통형 롤러에 적용해 유연 기판 위에 메타렌즈를 연속적으로 찍어내는 독자 공정을 개발했다. 말 그대로 신문 인쇄처럼 롤러를 회전시키며 렌즈를 끊임없이 생산하는 방식이다.

핵심은 신뢰성 확보였다. 특수 표면처리 기술을 도입해 200m 연속 공정에서도 첫 렌즈와 마지막 렌즈의 성능 차이가 거의 없는 수준으로 공정 균일성을 확보했다.

이 시스템으로 생산 속도는 초당 300개, 기존 대비 약 100배 향상됐다. 여기에 원자층 증착(ALD) 방식으로 고굴절 이산화티타늄(TiO₂) 층을 입혀 가시광 영역 90% 이상의 광효율을 확보했고, 가시광 전 영역에서 회절 한계 수준의 초점과 0.8 이상의 슈트렐 비율을 달성했다.

이는 메타렌즈가 더 이상 연구실 시제품이 아니라 대량 양산 가능한 산업 부품 단계로 진입했음을 의미한다.

제작된 대면적 메타렌즈. (a)200m 길이의 연속 공정을 통해 제작된 메타렌즈 어레이 필름 사진. (b)제작된 12인치 웨이퍼 크기의 메타렌즈 어레이 사진. (c)SEM을 통해 촬영된 메타렌즈 나노구조 이미지. 연구진 제공

카툭튀 사라지나…AR·우주광학까지 즉시 파급

이번 성과의 산업적 파급력은 크다. 가장 직접적인 변화는 스마트폰 카메라다. 기존 렌즈 대비 두께를 수백 배 줄일 수 있어 스마트폰의 고질적인 '카툭튀' 문제를 근본적으로 줄일 수 있는 길이 열렸다.

또 가벼운 증강현실(AR) 안경, 초정밀 의료 영상 장비, 바이오 센서, 위성·우주 광학 시스템 등에서 즉각적인 상용화 가능성이 거론된다. 특히 메타광학 부품의 대량생산은 향후 광학 부품의 반도체화·파운드리화를 촉진할 핵심 전환점으로 평가된다.

조규진·김인기 성균관대 교수와 노준석 포항공대 교수는 "그동안 고비용 문제로 상용화가 어렵다고 여겨졌던 메타렌즈를 실제 산업 현장 수준에서 초당 300개 이상 대량 생산할 수 있음을 세계 최초로 입증했다"며 "차세대 광학 산업 전반의 상용화를 앞당길 핵심 토대가 될 것"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr