POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 강현정 · 전나라 씨, 박사과정 오동교 씨 연구팀은 최근 자외선용 메타표면 제작 공정에서 최적의 프린팅 재료를 찾기 위한 정량적 분석에 성공했다. 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지인 '마이크로시스템 앤 나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)'에 현지 시간으로 지난 4월 22일 게재됐다.

메타표면은 나노미터 수준의 얇은 두께만으로 빛을 제어할 수 있는 광학 소자로, 차세대 디스플레이와 이미징, 바이오 센싱 등 분야의 핵심 기술로 꾸준하게 연구되어 오고 있다. 그리고, 그 응용 분야가 이제는 가시광 영역을 넘어 적외선과 자외선으로 확장되고 있다.

나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography)는 메타표면을 만드는 공정 중 하나로 도장을 찍듯 하나의 몰드를 사용해 수 백개의 복제품을 만들어 내는 기술이다. 이는 메타표면의 저비용 및 대량 생산을 가능하게 하여 메타표면 상용화의 가능성을 열어주고 있다. 하지만, 이 공정에서 프린팅 재료로 사용되는 레진(resin)은 굴절률이 낮아 빛을 효율적으로 제어하기 힘든 한계가 있었다.

이를 극복하기 위해, 레진에 나노입자를 첨가한 나노복합체를 사용해 굴절률을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데, 이 나노입자의 종류와 용매 등에 따라 패턴 전사도와 메타표면 성능이 달라지기 때문에, 우수한 메타표면을 얻기 위해서는 이러한 조건들을 체계적으로 분석해야 한다.

이번 연구에서 연구팀은 나노입자의 농도와 용매 종류가 패턴 전사도와 자외선 메타홀로그램에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 설계했다. 먼저, 자외선 영역에서 고효율 메타홀로그램을 구현할 수 있는 나노복합체로 알려진 지르코늄 디옥사이드(이하 ZrO2)의 농도를 20%부터 90%까지 변화시키며 실험을 진행했다. 그 결과, 농도가 80%일 때, 패턴이 가장 우수하게 전사됐다.

또한 농도가 80%인 ZrO2를 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 아세톤 등 여러 용매와 조합해 메타홀로그램을 구현한 결과, 자외선 영역(325nm)에서의 전환 효율이 각각 62.3%, 51.4%, 61.5%로 높게 나타났다. 이번 연구는 가시광 영역이 아닌 자외선에서 메타홀로그램을 구현하고, 새로운 나노복합체를 제조하기 위한 최적의 지표를 제공했다는 점에서 큰 의미가 있다.

POSTECH 노준석 교수는 "ZrO2 대신 티타늄 디옥사이드(TiO2)와 실리콘(Si) 나노복합체를 사용하면 가시광선과 적외선에서도 사용할 수 있다"며, "후속 연구를 통해 최적의 나노복합체 제조 조건을 찾고, 광학 메타표면 제조 기술 발전과 응용 및 확장을 이끌어 가겠다"는 포부를 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 미래유망융합기술 파이오니아 사업, RCRC 지역혁신 선도연구센터, 나노소재원천기술개발 사업, 산업자원통상부와 한국산업기술기획평가원 알키미스트 사업, 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 사업의 지원 등으로 수행됐다.