최근 POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김주훈 씨 연구팀은 ‘메타렌즈 어레이(array)’를 활용해 대면적 디스플레이를 구현하고, 기존 공정의 한계를 성공적으로 극복했다. 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지인 `레이저 앤 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews)`에 게재됐다. 스마트폰을 비롯한 현대 전자기기는 계속해서 얇고 가벼워지는 추세지만, 기존 광학 렌즈의 크기와 무게가 이러한 발전을 제한하는 요소로 작용해 왔다. 이를 해결하기 위해 나노미터 규모의 인공 구조체를 활용한 `메타표면` 광학 기술이 주목받고 있고, 이 기술을 기반으로 한 초박형 ‘메타렌즈’는 차세대 디스플레이 기술의 핵심 솔루션으로 부상하고 있다.   최근 메타렌즈의 적용처가 점점 다양해지면서 천체망원경과 대형 디스플레이 등 넓은 면적에 활용하려는 시도가 이루어지고 있다. 그런데, 적용 면적이 넓어질수록 렌즈의 직경도 커지기 때문에 전자빔(e-beam)을 이용해 큰 렌즈에 패턴을 하나하나 새기는 공정은 시간과 비용이 많이 든다. ‘포토마스크’로 기판 곳곳에 패턴을 찍어내는 ‘포토리소그래피(photography)’ 공정이 대안으로 떠오르고 있지만 작은 패턴들을 정확하게 이어 붙이는 `스티칭(stitching)‘ 공정이 추가로 필요했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 발상을 전환했다. 작은 패턴들을 이어 붙여 하나의 큰 렌즈를 만드는 대신 여러 개의 작은 메타렌즈를 배열하여 마치 하나의 대면적 렌즈처럼 작동하도록 하는 `메타렌즈 어레이‘ 방식을 고안했다.   연구팀은 이 방식을 적용해 단 5mm 크기의 단일 패턴만으로 8인치 크기의 반도체 기판 위에 메타렌즈 어레이를 제작하고, 4인치 크기의 `플로팅(floating) 디스플레이`를 성공적으로 구현했다. 이 방식은 스티칭 과정에서 발생할 수 있는 오차를 원천적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라 기존 공정에 비해 공정 단가를 낮추고, 비용과 효율성을 크게 개선했다. 또한, 기존 대면적 단일 렌즈보다 더 짧은 초점거리를 제공했다. 쉽게 말해, 같은 성능을 내면서도 전체 시스템 크기를 더 줄일 수 있어 휴대성과 효율성을 중시하는 산업에서 새로운 혁신을 이끌어낼 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “메타렌즈 어레이를 활용하면, 더 얇고 가벼운 디스플레이 기기를 제작할 수 있어 AR과 VR, 홀로그램 디스플레이 등 차세대 디스플레이 기술에 큰 장점을 제공할 수 있다”라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 삼성리서치, 과기정통부/한국연구재단 글로벌융합연구지원사업, 산자부/산기평 알키미스트사업, 과기정통부 대통령과학장학금 등의 지원으로 진행됐다.