자외선 영역도 제어 가능한 광학 소자 프린팅 공정 개발
- 메타표면 프린팅으로 차세대 광소자 실용 제작 기술 선도 -
□ 국내 연구진이 가시광선은 물론 자외선 영역까지 빛 제어가 가능한 메타표면*을 가공하는 저비용·고효율 프린팅 공정을 개발하여 반도체 산업 등 첨단산업의 초격차 경쟁력 강화에 기여하였다.
* 메타표면 : 1마이크로미터(um) 이내의 얇은 두께로 특정 빛을 자유자재로 제어할 수 있는 차세대 광소자. 매우 얇아 평면광소자로도 정의된다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 노준석 교수(포항공과대학교)와 이헌 교수(고려대학교) 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.
* 심자외선(Deep UV) : 자외선 영역에서도 248 nm 파장의 매우 짧은 파장을 가지는 빛으로 심자외선을 이용하는 고해상도 리소그래피 양산 기술이 활발히 연구되고 있다.
□ 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 먼저 지르코니아(ZrO2)* 나노입자가 첨가된 고굴절 레진을 개발하였다. 더불어 정밀한 전자기학 설계기술로 고성능 자외선 메타표면을 설계하고, 나노임프린트(NIL)* 공정을 이용해 메타표면을 구현하였다.
* 지르코니아 : 내구성과 화학적 안정성이 높으며, 인체에 무해하여 인공 치아 등 생체용 세라믹재료로 주로 쓰인다. 또한, 광학적으로 높은 굴절률을 가져 가시광 영역에서 작동하는 광학 소자 재료로도 사용된다.
* 나노임프린트: 스탬프를 이용해 나노소자 패턴을 웨이퍼나 필름 기판에 찍어내는 기술로 간단한 공정으로 첨단 미세회로 제작이 가능
○ 연구팀은 지르코니아 나노입자의 가시광 파장 영역에서 연구되던 활용도를 자외선 영역까지 확장하여 해당 물질의 실용도를 대폭 높였다.
○ 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 입증하였다.
□ 노준석 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 메타표면의 실용적 제작 기술은 제어 가능한 빛의 파장 범위를 확대하고, 프린팅 방식의 빠른 생산성을 동시에 확보하였다”라며, “고성능 메타표면의 저비용 생산을 통해 메타표면 실용화를 앞당기는 교두보가 될 것”이라고 설명했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학분야 국제학술지 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications)’에 3월 8일 게재되었다.
