연구성과

기계공학과·화학공학과 노준석 교수팀, 1/100 가격, 1/10000 두께 ‘VR·AR 장치’ 나온다

2020-05-14 759

– POSTECH-고려대 공동연구팀, 新나노성형소재 및 원스텝 프린팅 기술 개발
– 저비용·대면적·초박막 제작기술로 메타물질 상용화 가능성 열어

바로 눈앞에 좀비나 적들과 마주한 장면, 아찔한 절벽 위에 선 듯한 VR(가상현실)과 AR(증강현실)은 이제 게임이나 미디어 콘텐츠 분야의 전유물이 아니다. 가상공간에서 가상회의와 PPT, 동영상 등 다양한 자료를 공유하고 실시간으로 의사소통을 할 수 있게 됐다. 그러나 가상 세계에 몰입하게 해주는 VR·AR 기기의 높은 가격과 두꺼운 덩치 때문에 쉽게 손이 가지 않는다. 최근 국내 연구팀이 투명망토를 만드는 메타물질을 이용해 나노성형소재와 프린팅 기술을 개발해 값싸고, 얇은 VR·AR 기기의 상용화 가능성을 열었다.

기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 윤관호 박사 연구팀이 고려대학교(총장 정진택) 신소재공학부 이헌 교수, 김관씨 연구팀과 공동연구를 통해 메타물질 상용화를 위한 새로운 나노성형소재와 대면적 나노프린팅 기술을 개발했다. 기존 연구의 제약이었던 디바이스 크기와 높은 제작 단가를 해결할 수 있는 이 연구성과는 최근 과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

메타물질은 인공원자로 만들어진 물질로 자연에는 존재하지 않지만, 빛의 특성을 자유자재로 제어할 수 있는 것이 특징이다. 빛의 굴절이나 회절 등을 조절해 그 모습이 사라지는 것처럼 착시를 만드는 ‘투명망토’나, 빛의 입사 방향에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 만들어낼 수 있는 ‘메타홀로그램’ 역시 이 메타물질을 이용한다.

이렇게 빛을 자유자재로 조절하는 원리를 이용해 아주 얇은 두께만으로도 기존의 광학계를 대체할 수 있는 ‘초박막메타렌즈’ 기술은 최근 월드 이코노믹 포럼(World Economic Forum)에서 발표한 ‘2019년 세상을 바꿀 미래 10대 기술’에 선정되기도 했다.

메타물질을 만들기 위해서는 빛의 파장보다 작은 크기의 인공원자를 정교하게 제작하고 배열해야 한다. 지금까지는 전자빔 리소그래피*1라는 방식을 통해 메타물질을 제작해왔다.

그러나 전자빔 리소그래피는 공정 속도가 매우 느리고, 공정 단가가 비싸기 때문에 메타물질을 크게 만들거나 상용화하기에 걸림돌이 됐다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 메타물질 구현에 적합한 광특성을 지고 있으면서, 자유자재로 성형이 가능한 나노입자 복합재를 기반으로 새로운 나노성형소재를 개발했다. 또한, 한 번의 공정으로 성형할 수 있는 원스텝 프린팅 기술을 개발하는데 성공했다.

실제 새로 개발된 기술을 이용해 머리카락의 두께보다 100배 이상 얇은 초박막 메타렌즈를 구현했다. 메타물질을 두꺼운 유리 렌즈, 플라스틱 렌즈 등을 1만분의 1수준의 두께로 제작할 수 있게 된 것이다. 이렇게 원스텝 프린팅 공정으로 초박막 메타렌즈를 제작한 것은 세계 최초다.

기존 유리 등으로 만드는 렌즈와 같은 성능을 내는 메타렌즈를 만드는 가격이 1천만 원(1개당)이었다면, 이 기술을 이용하면 약 1만원 수준으로 1/100의 비용으로, 두께는 1/10000 얇은 메타렌즈를 간소한 공정으로 제작할 수 있게 된다.

연구를 주도한 노준석 교수는 “이번에 개발된 나노성형소재의 원스텝 프린팅 기술은 기존의 전자빔 리소그래피에 비해 100배 이상 빠른 속도로 메타물질을 제작하는 것이 가능하다”며 “이러한 렌즈는 기존의 두껍고 큰 VR·AR 렌즈나 안경을 획기적으로 가볍고 작게 만들 수 있을뿐 아니라, 곡면기판 유연기판 등에도 그대로 적용 가능하기에 전 방향 대면적 투명망토, 곡면이나 구부러지는 웨어러블 기기에 적은 비용으로 메타물질을 적용할 수 있을 것”이라고 기대감을 드러냈다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한제어 연구단), 지역혁신선도연구센터사업(RLRC), 미래소재디스커버리사업, 선도연구센터사업(ERC) 등의 지원을 받아 수행됐다.
 


1. 전자빔 리소그래피(electron beam lithography)
지름 1㎛ 이하로 조여진 전자빔을 이용해 실리콘칩 표면에 만들고자 하는 패턴을 빛으로 촬영한 수지를 칩 표면에 고정한 후 화학 처리나 확산 처리하는 기술