POSTECH, 세계 첫 초정밀 '메타렌즈' 개발…"신소재 800℃로 가열"

보다 더 정교하게 빛을 다룰 수 있는 신개념 소재가 개발됐다. 이를 이용할 경우 초정밀 메타렌즈 제작이 가능할 전망이다. POSTECH(포항공과대학교)은 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 노준석 교수 연구팀이 고려대 신소재공학과 이헌 교수 연구팀과의 공동으로 고효율 메타렌즈를 위한 새로운 개념의 이산화 티타늄(TiO2) 소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 이 연구는재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다. 메타렌즈는 나노미터 크기의 구조체다. 빛을 정밀하게 제어할 수 있어 통신이나 의료, 카메라 등의 분야에서 주목받고 있다. 예를 들어 메타렌즈를 사용하면 지금보다 훨씬 얇고 선명한 카메라를 만들 수 있다. 병원에서 사용하는 초음파나 내시경 같은 장비에 적용하면, 더 작고 정밀한 기기 제작이 가능해진다. 연구진은 '이산화티타늄'이라는 재료를 잉크처럼 만들어 나노임프린트 리소그래피 공정에 적용해 메타렌즈를 제작했다. 이 잉크는 열을 가하면 빛을 더 잘 모을 수 있는 성질로 바뀌는데, 예를 들어 800℃로 가열할 때 최고의 성능을 발휘한다. 도자기를 만들 때 진흙에 열을 가해 튼튼하고 정교한 작품을 만드는 것과 같은 원리다. 연구진은 800℃로 가열할 경우 이산화티타늄이 루타일(rutile) 결정상으로 변화하며 굴절률이 2.8~3.0 정도로 처음보다 2배 가까이 상승했다. 굴절률이 높을수록 빛을 잘 제어한다는 것을 의미한다. 연구팀은 직경 1cm의 메타렌즈를 웨이퍼 규모로 제작했다. 이 메타렌즈는 이론적으로 100%에 가까운 효율을, 실험적으로는 70% 이상의 효율을 나타냈다. 노준석 교수는 “기존에 주로 사용하던 비정질 이산화 티타늄의 아나타제 상과 루타일 결정상을 가진 메타표면을 세계 최초로 구현했다"며 "메타렌즈 연구에서 재료와 굴절률의 한계를 극복했다”고 말했다.