포스텍, 초박형 메타렌즈 어레이로 공중 디스플레이 구현

포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수, 기계공학과 통합과정 김주훈 씨 연구팀이 '메타렌즈 어레이(array)'를 활용해 대면적 디스플레이를 구현했다고 25일 밝혔다.

스마트폰을 비롯한 현대 전자기기는 계속해서 얇고 가벼워지는 추세지만, 기존 광학 렌즈의 크기와 무게가 이러한 발전을 제한하는 요소로 작용해 왔다. 이를 해결하기 위해 나노미터(㎚) 규모의 인공 구조체를 활용한 '메타표면' 광학 기술이 주목받고 있고, 이 기술을 기반으로 한 초박형 '메타렌즈'는 차세대 디스플레이 기술의 핵심 솔루션으로 부상하고 있다.

노준석 교수(왼쪽)와 통합과정 김주훈씨

최근 메타렌즈의 적용처가 다양해지면서 천체망원경과 대형 디스플레이 등 넓은 면적에 활용하려는 시도가 이루어지고 있다. 그런데, 적용 면적이 넓어질수록 렌즈의 직경도 커지기 때문에 전자빔(e-beam)을 이용해 큰 렌즈에 패턴을 하나하나 새기는 공정은 시간과 비용이 많이 든다. '포토마스크'로 기판 곳곳에 패턴을 찍어내는 '포토리소그래피(photography)' 공정이 대안으로 떠오르고 있지만 작은 패턴들을 정확하게 이어 붙이는 '스티칭(stitching)' 공정이 추가로 필요했다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 작은 패턴들을 이어 붙여 하나의 큰 렌즈를 만드는 대신 여러 개의 작은 메타렌즈를 배열해 마치 하나의 대면적 렌즈처럼 작동하도록 하는 '메타렌즈 어레이' 방식을 고안했다.

메타렌즈 어레이 사진(왼쪽 위)과 메타렌즈를 이용해 디스플레이를 공간에 플로팅시키는 셋업 사진(오른쪽 위). 디스플레이가 플로팅된 상태에서 거리 증가에 따라 흐려지는 현상을 보여주는 이미지(아래)

연구팀은 이 방식을 적용해 단 5㎜ 크기의 단일 패턴만으로 8인치 크기의 반도체 기판 위에 메타렌즈 어레이를 제작하고, 4인치 크기의 '플로팅(floating) 디스플레이'를 성공적으로 구현했다.

이 방식은 스티칭 과정에서 발생할 수 있는 오차를 원천적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라 기존 공정에 비해 공정 단가를 낮추고, 비용과 효율성을 크게 개선했다. 또 기존 대면적 단일 렌즈보다 더 짧은 초점거리를 제공했다. 같은 성능을 내면서도 전체 시스템 크기를 더 줄일 수 있어 휴대성과 효율성을 중시하는 산업에서 새로운 혁신을 이끌어낼 수 있을 것으로 기대된다.

노준석 교수는 “메타렌즈 어레이를 활용하면, 더 얇고 가벼운 디스플레이 기기를 제작할 수 있어 AR과 VR, 홀로그램 디스플레이 등 차세대 디스플레이 기술에 큰 장점을 제공할 수 있다”고 말했다.

포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 삼성리서치, 과학기술정보통신부(한국연구재단) 글로벌융합연구지원사업, 산자부(산기평) 알키미스트사업, 과기정통부 대통령과학장학금 등의 지원으로 진행된 이번 연구성과는 최근 재료 분야 국제 학술지인 '레이저 앤 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews)'에 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com

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