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브레이크뉴스대구경북

POSTECH 노준석 교수팀, 반도체 공정 이용해 지름 1cm 메타렌즈 대량 생산 성공

박영재 기자 | 기사입력 2023/04/26 [10:05]

POSTECH 노준석 교수팀, 반도체 공정 이용해 지름 1cm 메타렌즈 대량 생산 성공

박영재 기자 | 입력 : 2023/04/26 [10:05]

【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수 · 기계공학과 통합과정 김주훈 · 성준화 씨, 고려대 신소재공학과 이헌 교수 · 김원중 씨, 포항산업과학연구원(RIST) 전교선 박사 · 이경일 박사 · 윤동현 박사 공동연구팀이 세계 최초로 가시광선 대역 메타렌즈를 대량 생산하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

  

▲ 연구 이미지(위 대량생산된 메타렌즈)(아래 VR기기 구현 결과물)  © 포스텍


이번 연구는 소재 분야에서 영향력 높은 학술지인 ‘네이처 머터리얼즈(Nature Materials)’에 게재됐다.

  

연구팀은 공정의 한계를 극복하기 위해 반도체와 디스플레이 제작에 이용되는 두 기술을 결합했다. ‘포토리소그래피(Photolithography)’는 빛(photo)과 기판 인쇄(lithography)의 합성어로 빛을 이용하여 사진을 찍듯이 기판에 패턴을 새기는 기술이다. 그리고, ‘나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography)’는나노소자 패턴이 각인된 스탬프를 사용해 기판 위에 패턴을 찍어내는기술을 말한다.

  

연구팀은 먼저 고속전자빔으로 하나의 패턴을 만들고, 불화아르곤(ArF) 포토리소그래피로 패턴을 복제하여 12인치(inch) 크기의 스탬프를 제작했다. 그리고, 스탬프와 나노임프린트 리소그래피를 이용하여 1센티미터(cm) 크기의 지름을 가진 메타렌즈를 빠르게 찍어내는 데 성공했다.

  

기존 나노임프린트 기반의 구조체는 굴절률이 낮아 효율이 10퍼센트 근방으로 매우 낮았기 때문에, 효율을 높이기 위해서 큰 비용이 필요했다. 연구팀은 찍어낸 렌즈에 20나노미터(nm) 정도의 매우 얇은 이산화티타늄(TiO2) 막을 코팅하여 렌즈의 효율을 90퍼센트까지 향상시켰다. 두 기술의 결합을 통해 간단한 공정으로도 고성능의 메타렌즈를 대량으로 생산하는 데 성공한 것이다.

  

이어, 연구팀은 빨강, 녹색, 파랑의 이미지를 나타낼 수 있는 초경량 가상현실(VR)기기를 제작하며 메타렌즈의 실용성도 입증했다. 기존에 존재하던 두 기술의 시너지를 통해 메타렌즈의 상용화에 한 걸음 더 다가간 것이다.

  

또, 이번 연구는 포스코가 연구비를 지원하는 산(POSCO)-학(POSTECH)-연(RIST) 융합연구소사업 1호로 선정되어 앞으로 메타렌즈의 상용화가 탄력을 받을 뿐 아니라 포스코가 철강 기업에서 미래 소재 기업으로 도약할 계기가 될 것으로 기대한다.

  

연구를 이끈 노준석 교수는 “이번 연구는 20년간 상용화되지 못하고 연구 단계에만 머물렀던 메타물질 연구를 산업화 단계까지 끌어올려 실제로 적용될 수 있음을 보여주었다”며, “세계에서 가장 앞선 기술로 가시광 대역에서 사용할 수 있는 메타렌즈를 웨이퍼 단위로 대량 생산하는데 세계 최초로 성공했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 의견을 전했다.

  

한편, 이번 연구는 포스코, 삼성미래기술육성센터, 과학기술정통부 한국연구재단 등의 지원으로 진행됐다.

 

<구글번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 

POSTECH Professor Jun-Seok Noh's team succeeded in mass-producing 1cm diameter metal lenses using semiconductor process

 

POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) is a mechanical engineering department, chemical engineering professor Roh Jun-seok, mechanical engineering department integrated course Kim Joo-hoon and Sung Jun-hwa, Korea University materials engineering professor Lee Hun-joong, and Pohang Institute of Industrial Science and Technology (RIST) Dr. Jeon Kyo-seon and Lee Kyung-il doctor · Dr. Donghyun Yoon's joint research team announced on the 26th that it succeeded in mass-producing the world's first visible light range metalens.

 

This research was published in Nature Materials, an influential academic journal in the field of materials.

 

  To overcome the limitations of the process, the research team combined two technologies used in semiconductor and display manufacturing. Photolithography, a compound word of photo and substrate printing, is a technology that uses light to engrave patterns on a substrate as if taking a picture. In addition, ‘Nanoimprint lithography’ refers to a technology that uses a stamp imprinted with a nano device pattern to print a pattern on a substrate.

 

  The research team first made a pattern with a high-speed electron beam and then copied the pattern with argon fluoride (ArF) photolithography to produce a 12-inch stamp. And, using a stamp and nanoimprint lithography, they succeeded in quickly imprinting a metal lens with a diameter of 1 cm (cm).

 

  Existing nanoimprint-based structures had a very low efficiency of around 10 percent due to their low refractive index, so a large cost was required to increase the efficiency. The research team coated a very thin film of titanium dioxide (TiO2), about 20 nanometers (nm), on the lens they took, and improved the efficiency of the lens to 90 percent. Through the combination of the two technologies, they succeeded in mass-producing high-performance metalens with a simple process.

 

  Subsequently, the research team demonstrated the practicality of the metalens by producing an ultra-light virtual reality (VR) device capable of displaying red, green, and blue images. Through the synergy of the two existing technologies, it is one step closer to commercialization of metalens.

 

In addition, this research was selected as the first POSCO-POSTECH-RIST convergence research center project for which POSCO supports research funds. It is hoped that this will serve as an opportunity for the company to leap forward.

 

  Professor Jun-seok Noh, who led the research, said, “This research shows that metamaterial research, which has not been commercialized for 20 years and has remained in the research stage, can be practically applied by raising it to the industrialization stage.” It is of great significance in that it succeeded in mass-producing metal lenses in wafer units for the first time in the world.”

 

  Meanwhile, this research was conducted with support from POSCO, Samsung Future Technology Development Center, Ministry of Science and ICT and National Research Foundation of Korea.

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