포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 교수, 기계공학과 통합과정 강현정·김홍윤 씨 연구팀이 지르코늄 이산화물 입자가 포함된 수지를 사용한 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 공정을 통해 스핀 다중화 자외선 메타홀로그램을 구현하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
메타홀로그램은 빛을 제어해 3차원 이미지를 생성하는 기술이다. 관찰하는 각도나 빛 조건에 따라 다양한 이미지를 구현할 수 있다. 특히, 자외선을 활용한 자외선 메타홀로그램은 특정 조건에서만 보이도록 설계할 수 있어 보안 스티커와 인증서를 이용한 위조 방지 등 광학 보안 분야에서 떠오르고 있는 기술이다.
하지만 자외선은 가시광선보다 파장이 더 짧아 자외선 메타홀로그램을 제작하려면 메타표면을 이루는 나노 구조를 더 작게 만들어야 한다. 이를 위해서는 고해상도의 나노 패터닝 기술이 필요하며, 자외선은 가시광선에 비해 에너지 수준도 높아 이를 견딜 수 있는 내구성이 강한 소재를 사용해야 한다.
기존 원자층 증착과 전자빔 리소그래피 등 공정들은 패터닝 영역이 작고, 비용이 많이 들며, 공정 과정도 복잡해 자외선 메타홀로그램을 위한 메타표면 대량 생산에 한계가 있다. 반면, NIL은 몰드를 사용해 원하는 패턴을 도장처럼 빠르게 찍어내는 공정으로 비용이 저렴해 대량 생산에 적합한 기술로 주목받고 있지만 공정 재료인 레진(resin)의 굴절률이 낮아 메타표면의 변환 효율이 떨어진다는 문제가 있었다.
연구팀은 NIL 공정의 비용적 효율성을 유지하면서도 높은 메타표면 변환 효율을 달성하기 위해 이번 연구에서 지르코늄 이산화물을 사용했다. 지르코늄 이산화물 나노입자가 포함된 수지로 NIL 재료 굴절률을 1.8(320㎚ 파장)로 높여 선명한 자외선 메타홀로그램 이미지를 생성하는 데 성공했다.
실험 결과, 연구팀이 개발한 공정으로 구현한 자외선 메타홀로그램은 약 60㎚의 높은 해상도를 나타냈다. 또 기존 고굴절률 나노 복합체를 사용한 자외선 메타홀로그램의 종횡비가 8~10 정도였던 데 비해 연구팀의 기술은 그 한계를 극복하고 종횡비를 최대 16까지 달성했다.
특히, 빛의 편광 상태에 따라 좌편광에서는 56.23%, 우편광에서는 57.28%의 변환 효율을 보였다. 이는 하나의 이미지를 구현하는 기존 메타홀로그램의 효율을 거의 유지하면서 서로 다른 두 개의 이미지를 구현했다는 점에서 큰 의의가 있다.
이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 메타표면 기반 평면광학기술 연구소, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수연구-중견연구 · 글로벌 융합 연구·미래 디스플레이 전략 연구실·미래 융합 파이오니어·미래 연구실지역혁신 선도 연구 센터사업·국가 간 협력 기반 조성, 정보통신기획평가원 실감 콘텐츠 핵심 기술, 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트 및 교육부 박사과정생 연구장려금, 대통령 과학장학금, 아산재단 의생명과학장학금의 지원으로 수행됐다. 성과는 최근 나노기술 분야 국제 학술지인 'ACS 나노(ACS Nano)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
