기존 렌즈보다 10,000배 얇은 초박막렌즈 개발-나노입자 복합재를 통해 머리카락보다 100배 얇은 초박막렌즈 개발 성공

기존 렌즈보다 10,000배 얇은 초박막렌즈 개발-나노입자 복합재를 통해 머리카락보다 100배 얇은 초박막렌즈 개발 성공

 

부서 융합기술과

 

 

 

기존 렌즈보다 10,000배 얇은 초박막렌즈 개발
나노입자 복합재를 통해 머리카락보다 100배 얇은 초박막렌즈 개발 성공

□ 국내연구진이 기존 굴절렌즈보다 10,000배 얇은 초박막렌즈 개발에 성공하여 스마트폰에 들어가는 카메라의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 길이 열렸다.

□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)는 포항공과대학교(총장 김무환) 기계공학과/화학공학과 노준석 교수 연구팀이 고려대학교 신소재공학부 이헌 교수 연구팀, 삼성전자 종합기술원 이미징 디바이스랩 한승훈 마스터 팀과 함께, 기존 굴절렌즈의 성능을 유지하되 두께는 10,000배 얇은(머리카락보다 100배 얇은 수준) 적외선 초박막렌즈 및 이의 대량생산 기술을 개발하였다고 밝혔다.

◦ 이는 크고 무거운 기존 광학소자*의 한계를 극복하는 연구성과로 메타물질**의 상용화에 크게 이바지할 수 있다는 가능성을 인정받아 세계적인 학술지 ACS Nano(IF=14.588)에 2021년 1월 1일 온라인 발표되었다.
* 광학소자: 빛의 진폭, 위상, 주파수 등 다양한 특성을 제어할 수 있는 소자
** 메타물질: 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공원자로 이루어진 새로운 물질

※ 논문명: Printable Nanocomposite Metalens for High-Contrast Near-Infrared Imaging
※ 저자정보: 노준석(교신저자), 이헌(공동교신저자), 윤관호(제1저자), 김관(공동제1저자), 김세움, 한승훈 총 6명

□ 빛을 모으는 렌즈는 스마트폰, DSLR 카메라 등 최신 전자기기 및 광학기기에 없어서는 안 될 핵심 부품이지만 기존의 굴절렌즈는 크고 무거우며, 부피를 줄일수록 성능이 저하되는 한계가 있었다.

◦ 스마트폰에 들어가는 카메라는 이미지 왜곡을 줄이기 위해 8~9개의 굴절렌즈로 이루어진 복합 렌즈를 사용하는데, 복합 렌즈의 두께를 줄이기가 어렵기 때문에 스마트폰 뒤쪽에 카메라가 튀어나오는 소위 ‘카툭튀’ 문제가 발생한다.

◦ 또한, DSLR 카메라에 사용되는 굴절렌즈의 경우 최소 500g에서 고성능 제품으로 갈수록 4kg을 넘어서기 때문에 얇고 가벼운 렌즈에 대한 수요가 매우 높다.

□ 연구진은 높은 성능을 가지면서도 부피는 작은 렌즈를 개발하기 위해 메타물질 기반의 렌즈를 연구 하였는데, 메타물질은 기존의 물질이 제공하지 못하는 음굴절 및 초고굴절 등 다양한 광특성을 자유자재로 제어할 수 있어 초박막 평면렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토와 같은 이전에 없던 새로운 광학기기 구현이 가능하여 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다.

◦ 그러나 기존에 매타물질 제작에 활용하던 전자빔 리소그래피*는 공정 속도가 느리고 단가가 매우 비싸기 때문에 이를 통해 제작된 메타물질의 단가 역시 높을 수밖에 없어 기존의 메타물질 연구는 실험실 수준을 벗어날 수 없었다.
* 전자빔 리소그래피: 전자빔을 강한 전압을 통해 집속 시켜서 나노미터 수준의 패턴을 가공할 수 있는 나노공정 기술
□ 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 메타물질 구현에 적합한 광특성을 가짐과 동시에 자유자재로 성형이 가능한 나노복합재 기반의 새로운 나노성형소재와 이를 한 번의 공정으로 성형할 수 있는 원스텝 프린팅 기술을 개발하는 데 성공하였다.

◦ 나노성형소재는 감광응성* 레진에 나노입자를 섞어 제작하였다. 이 경우 나노입자의 종류와 농도에 따라 나노성형소재의 광특성을 광범위하게 제어할 수 있기 때문에 메타물질 제작에 주로 사용되어 오던 기존의 소재를 대체할 수 있으며, 소재의 단가 또한 기존의 소재에 비해 월등히 저렴하여 경제성이 높다.
* 감광응성: 평소에는 액체상태로 존재하지만 빛을 받으면 딱딱한 플라스틱으로 굳는 성질을 가진 물질

◦ 또한 새로운 나노성형소재의 원스텝 프린팅 기술은 기존의 전자빔 리소그래피에 비해 100배 이상 빠른 속도로 메타물질을 제작하는 것이 가능하며 기존 공정 기술과는 호환이 어려운 곡면기판 및 유연기판상에도 메타물질을 구현할 수 있기 때문에 최근 많은 관심을 받고 있는 착용형 기기에도 적용하는 것이 가능하여 앞으로의 발전가능성이 더욱 기대된다.

□ 한편 연구진은 실리콘 나노복합재와 프린팅 기술을 바탕으로 머리카락의 두께보다 100배 이상 얇은 1 마이크로미터 두께의 초박막 메타렌즈를 개발하고 이를 통해 실제 광학계와 결합하여 이미징에 성공함으로써 연구 성과의 실제 응용 가능성도 검증하였다.

◦ 노준석 교수는 “본 연구에서 구현된 초박막 메타렌즈는 동일한 광학적 특성을 가진 기존의 적외선 굴절렌즈보다 10,000배 얇기 때문에 크고 무거운 굴절렌즈로 인한 여러 가지 문제들을 해결할 수 있을 것이며, 향후 적외선 내시경, CCTV, 야간투시경 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.” 고 연구의 파급력을 설명했다.
□ 본 연구성과는 전자기·역학분야 메타물질 핵심원천기술확보와 실용화 연구를 추진 중인 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한제어 연구단) 등의 지원을 받아 수행되었다.

연 구 결 과 개 요

◦ 4차 산업혁명이 대두되고 무인자동차, 드론 등 자율주행 기술에 대한 관심이 높아지면서 초소형 광학계, 라이다(LiDAR), 카메라 등 초소형 광센서에 대한 기술적인 수요가 높아지고 있다. 그러나 기존의 광학계는 굴절렌즈의 물리적인 한계로 인해 크기와 무게를 줄이는 데에 근본적인 한계가 있다.
◦ 메타물질을 통해 초박막 평면렌즈를 비롯한 다양한 응용가능성이 제시되어왔음에도 불구하고 대량생산 공정의 부재로 인해 메타물질은 실용화되지 못하고 있었다. 이에 본 연구에서는 높은 굴절률을 갖는 성형소재와 이를 정교하게 가공할 수 있는 공정기술을 통해 고효율 메타물질을 대량생산할 수 있음을 제안하고 실리콘 나노복합재 기반의 나노프린팅 공정을 개발하였다.
◦ 실리콘 나노복합재는 50 nm 크기의 실리콘 나노입자를 열경화성 레진에 분산시켜 제작하였으며, 타원계측법(Ellipsometry)을 통해 광특성을 측정한 결과 적외선 영역(940 nm)에서 2.2를 상회하는 높은 굴절률을 가짐으로써 고효율 적외선 메타물질 제작에 적합한 재료임을 검증하였다.
◦ 나노복합재는 높은 굴절률을 갖기 때문에 고효율 메타물질의 소재로써 바로 사용될 수 있으며 추가적인 박막 증착이나 식각공정 없이 한번의 프린팅 공정만으로 빠르게 메타물질을 제작할 수 있다. 나노복합재를 정교하게 가공하기 위해 PDMS(Polydimethylsiloxane)와 h-PDMS(Hard polydimethylsiloxane)가 결합된 복합몰드를 도입하였으며 이를 통해 일반적인 단일 PDMS 몰드로는 복제가 어려운 200 nm 이하 크기의 고종횡비 나노구조체도 쉽게 복제할 수 있음을 확인하였다. 복합몰드는 물리적으로 유연하고 재사용이 가능하기 때문에 곡면 또는 유연 기판상에도 메타물질을 제작할 수 있으며 공정 비용과 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
◦ 실리콘 나노복합재와 나노프린팅 공정을 통해 지름 4 mm, 두께 1 μm의 대면적 메타렌즈를 제작하였다. 개발된 실리콘 나노복합재는 5:1 이상의 고종횡비 및 200 nm 이하의 최소 선폭을 가지는 나노구조체로 성형이 가능하고 열처리 이후 최종 부피수축률이 10%를 넘지 않음을 검증하였다.
◦ 제작된 메타렌즈와 적외선 이미지센서를 결합하여 초소형 적외선 카메라모듈을 제작하였다. 이를 통해 공기중에서 사람의 피부속 혈관 분포를 촬영할 수 있음을 실험적으로 증명함으로써 나노복합재 적외선 메타렌즈와 대면적 프린팅 공정의 실용성을 검증하였으며, 향후 적외선 내시경, 라이다(LiDAR) 센서, CCTV, 야간투시경 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

용 어 설 명

1. 광학소자
빛의 진폭, 위상, 주파수 등 다양한 특성을 제어할 수 있는 소자를 말하며, 렌즈, 편광판, 레이저, 공간 광 변조기 등 여러 종류가 있다.

2. 초박막 광학계
전체 두께가 100 마이크로미터 이내로 매우 얇은 광학 시스템을 말하며, 기존 광학 시스템의 물리적인 크기와 무게의 한계를 극복하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다.

3. 음굴절
물질의 굴절률이 음수가 되는 물리적인 현상을 가르킨다. 일반적으로 물질의 굴절률은 공기의 굴절률(n=1)보다 항상 크기때문에 매질의 경계면에서 일어나는 굴절의 방향이 정해져있다. 그러나 음의 굴절률을 갖는 매질에서는 이와 전혀 다른 방향으로 빛을 굴절시킬 수 있기 때문에 투명망토와 같은 새로운 응용이 가능하다.

4. 초고굴절
물질의 굴절률이 10 이상으로 매우 높은 것을 말한다. 일반적인 물질의 굴절률은 4를 초과하기 어렵기 때문에 빛의 진행방향을 제어할 수 있는 범위가 제한적이나 초고굴절 물질은 이러한 한계를 극복할 수 있다.

5. 전자빔 리소그래피
전자빔을 강한 전압을 통해 집속 시켜서 나노미터 수준의 패턴을 가공할 수 있는 나노공정 기술을 의미함. 특별히 포토레지스트로 불리는 전자빔에 반응하는 고분자 물질에 전자빔을 통해 그림을 그리듯이 스캔을 하고, 전자빔을 맞은 부분과 맞지 않은 부분의 화학적 특성이 달라지면서 현상액에 샘플을 담그면 선택적으로 패턴이 생성됨. 공정 해상도는 15~20 nm 수준임.

* 포토레지스트: 전자빔 또는 자외선 빛에 반응하는 고분자 물질로서, positive 포토레지스트의 경우에는 전자빔/자외선에 노출된 영역이 현상액에서 사라지고, negative 포토레지스트의 전자빔/자외선에 노출되지 않은 부분이 현상액에서 사라지게 됨. 이를 통해 나노패턴을 형성할 수 있음.
* 리소그래피: 리소그래피는 석판 인쇄라는 어원을 갖고 있듯이, 특정한 형태의 패턴을 기판 상에 각인하는 기술로서, 특히 전자빔이나 자외선 등의 빛을 활용해 나노구조를 만드는 기술들을 통칭함.

6. 감광응성 레진
평소에는 액체상태로 존재하지만 빛을 받으면 딱딱한 플라스틱으로 굳는 성질을 가진 물질을 말한다. 반대의 성질을 가진 레진도 존재하며, 반도체 공정의 포토리소그래피에 사용되는 물질이다.

* 포토리소그래피: 반도체 생산에 사용되는 공정 중 하나로 빛을 이용해 감광막을 노광함으로써 마이크로미터 또는 나노미터 수준의 정교한 패턴을 제작할 수 있다.

그 림 설 명

 

그림 1. 나노복합재 기반 나노프린팅 공정 모식도 및 이를 통해 제작된 실리콘 나노복합재 메타렌즈
(좌) 메타렌즈의 전자현미경 사진 (우) 1인치 렌즈튜브에 결합된 4 mm 메타렌즈의 모습

그림 2. 실리콘 나노복합재 메타렌즈를 통해 제작된 카메라 모듈 및 이를 통한 적외선 이미징 결과
(위) A4 용지에 인쇄된 이미지 (아래) 사람의 손등 혈관

그림 3. 기존 렌즈와 메타렌즈의 두께 비교 사진

연구자 이력사항

<노준석 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 교수>

□ 인적사항
○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과

 

 

□ 경력사항
○ 2013 ~ 2013 : Lawrence Berkeley National Laboratory 박사후연구원
○ 2013 ~ 2014 : Argonne National Laboratory 연구책임자
○ 2014 ~ 2018 : 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 조교수
○ 2018 ~ 현재 : 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 부교수
○ 2019 ~ 현재 : 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 무은재 석좌교수

□ 전문 분야 정보
○ 나노광학, 나노공정, 메타물질

□ 연구 지원 정보
○ 2016년 ~ 2023년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 글로벌프런티어사업
○ 2019년 ~ 2024년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 중견연구자지원사업
○ 2019년 ~ 2026년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 지역현식선도연구센터 사업
○ 2018년 ~ 2024년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 미래소재디스커버리사업

<윤관호 포항공과대학교 기계공학과 박사후연구원>

□ 인적사항
○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과

 

 

□ 경력사항
○ 2020 ~ 현재 : 포항공과대학교 기계공학과 박사후연구원

□ 전문 분야 정보
○ 나노광학, 나노공정, 메타물질

□ 연구 지원 정보
○ 2020년 ~ 2021년 : 교육부․한국연구재단 이공분야 학문후속세대지원사업