【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 박유진 씨 연구팀이 차세대 디스플레이의 핵심 기술인 메타표면 상용화를 앞당길 신기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

▲ (위) 잔막 제거를 위해 개발된 Tape-assisted PER-NIL 공정 모식도(아래) 잔막 제거 전후 구조색 메타표면 및 홀로그램 메타표면 성능 비교  © 포스텍

이 연구는 그 우수성을 인정받아 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 속표지(Inside front cover) 논문으로 현지시간으로 지난 13일 게재됐다.

메타표면은 나노미터(머리카락 두께 약 10만분의 1) 규모의 인공 구조체를 이용해 빛을 자유롭게 제어하는 기술로, 증강현실(AR)·가상현실(VR), 고성능 광학 센서 같은 다양한 산업 분야에서 핵심적으로 활용되고 있다.

이러한 메타표면을 저비용으로 대량 생산하는 것은 여전히 해결해야 할 난제였다. 최근 고굴절률의 나노 입자가 포함된 경화성 레진으로 도장 찍듯 패턴을 형성하는 'PER-NIL1)(입자 혼합형 레진 임프린트)' 공정이 주목받고 있다. 그러나, 이 공정에는 치명적인 문제가 있었다. 패턴 형성 후 기판에 남는 고굴절 잔막이 빛을 산란시켜 메타표면의 효율을 떨어뜨리는 것이다.

그런데 POSTECH 연구팀은 '테이프'라는 단순한 방법으로 이를 해결했다. 첨단 화학 공정인 플라즈마 에칭이나 스핀 코팅으로도 풀지 못했던 문제를 의외의 방식으로 풀어낸 것이다.

연구팀이 개발한 ‘테이프 보조 PER-NIL(Tape-assisted PER-NIL)’ 기법의 핵심은 잔막을 선택적으로 떼어낼 수 있게 테이프 접착력을 최적화하는 것이다. 다양한 접착력을 가진 테이프를 활용한 실험 끝에, 나노 구조체는 그대로 유지하면서도 잔막만 효과적으로 떼어내는 최적의 조건을 찾았다. 전자현미경(SEM)과 에너지 분광 분석(EDS)에서도 이 공정이 잔막 제거에 탁월환 효과가 있음을 확인했다.

특히 '구조색 메타표면'의 경우, 이 기술을 통해 더욱 선명한 색상을 구현할 수 있다. 기존에는 잔막이 빛과 공진을 일으켜 색이 탁해지는 문제가 있지만, 잔막을 완전히 제거함으로써 단일 반사 피크를 구현하고, 더욱 깨끗한 색을 표현할 수 있게 됐다. 또한, 홀로그램 같은 3D 이미지를 만드는 메타홀로그램 기술에도 이 방법을 적용하면, 잔막으로 인한 빛의 산란과 투과율 저하 문제를 해결해 훨씬 선명한 이미지와 영상을 얻을 수 있다.

이 기술의 가장 큰 장점은 공정 단순화와 대량 생산 가능성이다. 기존의 복잡한 화학적 처리 없이 간단한 테이프 접착만으로 고효율 메타표면 제작할 수 있어, 대량 생산에 적합한 ‘롤투롤(Roll-to-Roll)’ 방식의 공정에도 적용할 수 있다.

연구를 이끈 노준석 교수는 “이번 연구는 잔막이 없는 고굴절의 메타표면을 복제한 최초의 사례로, 이를 통해 메타표면 기술이 실생활에 더욱 가까워질 것으로 기대된다”라고 전했다.

한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 과기정통부/한국연구재단 중견연구자지원 사업, 과기정통부 대통령과학장학금, 교육부 석사과정연구장려금 등의 지원으로 진행됐다.

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

 POSTECH, Development of Innovative Technology to Advance Commercialization of Metasurfaces

POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced on the 17th that the research team of Professor Noh Jun-seok of the Department of Mechanical Engineering, the Department of Chemical Engineering, the Department of Electrical and Electronic Engineering, and the Graduate School of Convergence, and Park Yu-jin of the Integrated Program in the Department of Mechanical Engineering developed a new technology to advance commercialization of metasurfaces, a core technology for next-generation displays.

This research was recognized for its excellence and was published on the 13th (local time) as an inside front cover paper in the international academic journal ‘Advanced Science’ in the field of materials.

Metasurfaces are a technology that freely controls light using artificial structures on the scale of nanometers (about 1/100,000th of the thickness of a hair), and are being used as key technologies in various industrial fields such as augmented reality (AR), virtual reality (VR), and high-performance optical sensors.

Mass-producing these metasurfaces at low cost has been a challenge that still needs to be solved. Recently, the 'PER-NIL1) (particle mixed resin imprint)' process, which forms a pattern like a stamp with a curable resin containing high-refractive index nanoparticles, has been attracting attention. However, this process had a fatal problem. The high-refractive residual film remaining on the substrate after pattern formation scatters light, reducing the efficiency of the metasurface.

However, the POSTECH research team solved this problem with a simple method called 'tape'. It was an unexpected solution to a problem that could not be solved even with advanced chemical processes such as plasma etching or spin coating.

The core of the 'tape-assisted PER-NIL' technique developed by the research team is to optimize the tape adhesive strength so that the residual film can be selectively removed. After experiments using tapes with various adhesive strengths, the optimal conditions were found to effectively remove only the residual film while maintaining the nanostructure. Scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopic analysis (EDS) also confirmed that this process is excellent in removing the residual film.

In particular, in the case of 'structural color metasurfaces', this technology can realize clearer colors. Previously, there was a problem that the residual film resonated with light, making the color cloudy, but by completely removing the residual film, a single reflection peak can be realized, and clearer colors can be expressed. In addition, if this method is applied to metahologram technology that creates 3D images such as holograms, the problems of light scattering and reduced transmittance due to the residual film can be solved, allowing for much clearer images and videos.

The biggest advantage of this technology is the simplification of the process and the possibility of mass production. Since it is possible to produce a highly efficient metasurface with only simple tape adhesion without the complex chemical treatment of the past, it can also be applied to the 'roll-to-roll' method suitable for mass production.

Professor Noh Jun-seok, who led the research, said, "This study is the first case of replicating a high-refractive metasurface without a residual film, and it is expected that this will bring metasurface technology closer to real life."

Meanwhile, this study was conducted with the support of the POSCO Holdings N.EX.T Impact Project, the Ministry of Science and ICT/Korea Research Foundation Mid-career Researcher Support Project, the Ministry of Science and ICT Presidential Science Scholarship, and the Ministry of Education Master's Program Research Encouragement Grant.