메타렌즈는 2019년 세계경제포럼(다보스포럼)에서 10대 신흥 기술 중 하나로 선정되었다. 컴퓨터나 휴대폰과 같은 전자기기들이 소형화 되면서 초소형 광센서에 따른 기술적 수요가 높아지고 있다. 기존 굴절 렌즈는 보통 부피가 크고 무거우며 소형화 시킬수록 성능이 저하되므로 성능을 유지하면서 렌즈를 소형화 시키는 것은 광학 렌즈 분야에서 주요한 도전이다.

예를 들어 고해상도를 위한 DSLR 카메라의 경우에는 하나의 무게가 200 g인 렌즈가 20개 이상으로 이루어져 길이가 30 cm가 넘고, 무게는 4 kg가 넘는다. 이에 입사되는 빛의 파장의 크기보다 작은 크기를 가지는 메타원자를 배열하여 인공적으로 만든 자연계에 존재하지 않는 성질을 가지는 물질인 메타표면을 이용하여 기존의 크고 무거운 굴절렌즈에서 매우 얇고, 가벼우며 소형화 가능한 메타렌즈에 대한 연구가 활발히 진행되어왔다.



메타렌즈는 메타원자를 통해 빛의 진폭, 위상 등을 조절하여 빛이 한 곳으로 보이도록 설계한 메타표면의 일종이며, 이외에도 고해상도 홀로그래피, 3D, AR 디스플레이 등과 같은 유망한 분야에 이용될 수 있다. 메타렌즈를 통한 소형화의 가능성이 대두된 이후 메타렌즈는 매우 얇은 두께의 전 가시광 영역에서의 광효율이 동일한 초점면에서 달성하는 무색수차 렌즈 (achromatic lens)나, 높은 개구수 (numerical aperture: NA)를 가지는 렌즈, 다중 초점 렌즈 등 기존 광학 렌즈에서는 불가능 했던 다양한 기능을 구현하며 메타렌즈의 성능을 향상시켜왔다.

기존의 광학렌즈를 대체할 뿐만 아니라 더 넓혀 나갈 수 있는 메타렌즈의 가능성은 충분히 보였지만, 메타렌즈는 파장보다 작은 구조체로 이루어져 나노미터 단위 공정이 필요하기 때문에 기존 기술로는 상용화 되기에는 낮은 공정속도와 높은 생산가격을 가지고 있다.


본 칼럼에서는 공정 관점에서 메타렌즈 대량생산의 한계점과 이를 해결하기 위해 최근 개발된 나노입자 혼합 레진을 통한 메타렌즈의 원스텝 방법에 대해 소개할 것이다.


기존의 메타렌즈의 제조는 전자빔 리소그래피(Electron beam lithography, EBL) 또는 집속 이온 밀링(Focused Ion Beam, FIB) 등을 이용할 수 있다. 특히 빛을 이용하는 포토리소그래피(Photolithography, PL)와는 달리 전자를 이용하는 EBL이 많이 이용되는데, EBL은 빛의 파장보다 약 1/1000 정도로 작은 드브로이 파장(de Broglie wavelength)를 가져 더 작은 크기의 회절한계를 가지므로 수 나노미터에 달하는 해상도로 가공을 진행할 수 있다.


그러나 EBL 가공은 느리고, 제조비용이 비싸므로 메타렌즈를 대량 생산하기에는 어렵다는 문제점이 있다. 예를 들어, 일반적인 EBL의 경우에 지름 0.5 mm의 메타렌즈를 만드는데 2시간 이상이 소요된다. FIB 방법은 전자보다 질량이 큰 이온을 가져 더 큰 모멘텀을 가지고 가공을 진행하는 방법이다. EBL와 비슷한 해상도를 가지지만 EBL보다 비싼 공정 가격으로 이 또한 대량 생산에 적합하지 않다.


이러한 문제점을 해결한 것이 나노임프린트(Nanoimprint Lithography, NIL) 기술이다.  이를 이용하면 붕어빵 틀을 이용해 붕어빵을 찍어내듯이 몰드(mold)를 이용해서 원하는 구조를 대량으로 찍어 낼 수 있다. (Fig 2)

그러나 기존의 NIL은 박막 증착(deposition)이나 에칭(etching)(또는 리프트 오프(lift-off))과 같은 추가적인 단계들이 필요하므로 여전히 상용화 되기에는 복잡한 공정 과정을 가진다. 따라서 본 연구실에서는 나노입자 혼합 레진을 이용해 기존 공정을 획기적으로 단축시켜 원스텝으로 메타렌즈를 공정할 수 있는 기법을 제시하였다.