성균관대 연구진, 롤투롤 공정으로 초당 300개 메타렌즈 양산 성공
《네이처》 게재 연구, 스마트폰·AR·의료 광학 시장 판도 바꿀 '인쇄기 방식' 나노렌즈 제조 기술 공개
- •성균관대 연구팀이 롤투롤 나노임프린팅으로 가시광 메타렌즈를 초당 300개 생산하는 데 성공했다.
- •이산화티타늄 코팅 기반 이 공정은 기존 유리 광학 부품 수준의 비용으로 cm 규모 렌즈를 구현한다.
- •스마트폰·AR 헤드셋·의료 영상 분야의 광학 부품 시장을 재편할 핵심 기술로 평가받는다.
초당 300개, 인쇄기처럼 찍어내는 나노렌즈
성균관대학교(SKKU) 바이오나노포토닉스 연구실이 롤투롤(roll-to-roll) 나노임프린팅 공정을 이용해 가시광선용 메타렌즈(metalens)를 초당 300개 속도로 연속 생산하는 데 세계 최초로 성공했다. 이 연구는 2026년 4월 14일 국제 학술지 《네이처(Nature)》에 게재됐으며, 김인기·노준석·조교진 교수가 공동으로 이끌었다. 기존 메타렌즈가 반도체 팹(fab) 수준의 정밀 공정을 요구해 소량·고가 생산에 머물렀던 한계를 완전히 뒤집는 성과다.
메타렌즈는 나노미터(nm) 수준의 구조물을 평평한 기판에 배열해 빛을 굴절·수렴시키는 초박형 평면 렌즈다. 두껍고 무거운 유리 렌즈 조립체를 수 마이크로미터(μm) 두께의 단일 소자로 대체할 수 있어 '광학의 게임체인저'로 불려왔지만, 제조 비용과 생산성 문제가 상용화의 최대 걸림돌이었다.
왜 이 기술이 혁신인가
이번 공정의 핵심은 두 가지다. 첫째, 유연한(flexible) 기판에 나노 패턴을 연속 각인하는 롤투롤 임프린팅이다. 신문이나 필름을 인쇄하듯 롤러가 기판을 연속으로 눌러 패턴을 새긴다. 둘째, 이 패턴 위에 이산화티타늄(TiO₂) 코팅을 적용해 가시광선 대역에서의 굴절 효율을 확보한다. 이산화티타늄은 높은 굴절률과 낮은 흡수 손실을 동시에 갖춰 가시광 메타렌즈 소재로 각광받아 왔으나, 균일한 박막 코팅이 기술적 난제였다. 연구팀은 이를 대면적·고속 공정 환경에서 해결했다.
결과물은 센티미터(cm) 규모의 렌즈로, 기존 유리 광학 부품과 경쟁 가능한 가격대를 실현한다. 성능과 양산성을 동시에 잡은 것이다.
산업적 의미는 단순한 제조 효율 향상을 넘는다. 광학 부품은 스마트폰 카메라 모듈, 증강현실(AR) 헤드셋, 내시경·수술 현미경 등 의료 영상 기기의 핵심 원가 요소다. 메타렌즈가 이 시장에 침투하면 기기의 두께·무게·원가 구조가 근본적으로 바뀐다. AR 헤드셋의 경우, 현재 폼팩터(form factor)를 안경 수준으로 줄이기 위해 가장 필요한 것이 바로 초박형 고성능 광학계다.
이전과 무엇이 달라졌나
| 항목 | 기존 메타렌즈 제조 | 이번 롤투롤 공정 |
|---|---|---|
| 생산 방식 | 전자빔 리소그래피(EBL), 포토리소그래피 | 롤투롤 나노임프린팅 |
| 생산 속도 | 수 시간~수일/개 | 초당 300개 |
| 기판 | 경질(rigid) 실리콘, 유리 | 유연(flexible) 기판 |
| 규모 | 수백 μm~수 mm | 센티미터(cm) 규모 |
| 비용 | 반도체 팹 수준 (고가) | 기존 유리 광학 부품 수준 (저가) |
| 양산 가능성 | 극히 제한적 | 산업 생산 가능 |
기존 메타렌즈 연구는 대부분 전자빔 리소그래피를 사용해 마이크로미터 단위 면적에 나노 구조를 직접 새겼다. 처리량(throughput)이 낮아 연구 목적 외 활용이 사실상 불가능했다. 이번 기술은 이 생산성 격차를 수천~수만 배 단숨에 뛰어넘는다.
이 흐름은 언제부터? — 메타옵틱스 10년의 여정
메타렌즈 연구의 역사는 2011~2013년 하버드대 카팔소 그룹이 나노 안테나 배열로 빛의 위상을 국소 제어하는 개념을 발표하면서 본격화됐다. 2016년 카팔소 그룹의 고효율 가시광 메타렌즈 발표, 2018년 MIT·스탠퍼드 등의 대면적화 시도, 2020년대 초 삼성전자·애플 등 대기업의 특허 출원 급증까지, 기술 성숙도는 꾸준히 높아졌다.
그러나 상용화의 벽은 항상 '제조'였다. 나노 구조의 정밀도를 유지하면서 대량 생산하는 것은 반도체 미세공정보다 까다로운 측면이 있다. 2022~2024년 사이 여러 스타트업(메타렌즈 전문 기업 메타레이, 루멘티움 등)이 이 문제에 뛰어들었으나 수율과 비용 문제를 완전히 해결하지 못했다.
성균관대 연구팀은 이 난제를 롤투롤이라는 성숙한 인쇄 공정에 나노 임프린팅을 결합하는 방식으로 돌파했다. 롤투롤 자체는 디스플레이 필름, 태양전지 제조에서 이미 검증된 기술이다. 이를 나노 광학 소자에 적용한 것이 이번 연구의 핵심 독창성이다.
한국은 반도체·디스플레이 제조 인프라를 바탕으로 나노포토닉스 분야에서 두각을 나타내고 있다. 2024년 POSTECH의 초박형 홀로그래픽 메타서피스 연구, 2025년 KAIST의 전계효과 가변 메타렌즈 연구 등이 《네이처》 자매지에 잇따라 게재되며 한국이 이 분야의 연구 중심지로 부상하고 있다.
앞으로 어떻게 될까 [AI 분석]
이번 연구가 산업 현장에 실제 적용되기까지는 몇 가지 관문이 남아 있다. 우선 롤투롤 공정으로 생산된 메타렌즈의 수율(yield)과 광학 균일성(optical uniformity)이 상업적 기준을 충족하는지 추가 검증이 필요하다. 연구 단계와 양산 단계 사이의 수율 격차는 반도체 산업이 수십 년에 걸쳐 경험한 난제다.
그럼에도 이번 성과가 산업에 미치는 중장기 파급력은 클 가능성이 높다.
스마트폰 카메라 시장에서는 렌즈 모듈의 두께를 수십 마이크로미터 수준으로 줄일 수 있어 폴더블·롤러블 디바이스 설계 자유도가 대폭 높아질 가능성이 있다. 삼성전자·애플이 이미 메타렌즈 특허를 확보하고 있는 만큼, 이번 제조 기술의 성숙은 제품 적용 결정을 앞당길 수 있다.
AR·XR 헤드셋 분야에서는 메타(구 페이스북)의 오리온(Orion), 애플의 비전 프로(Vision Pro) 등이 광학계 부피와 무게를 핵심 과제로 안고 있다. 경량 메타렌즈가 양산 가능해진다면 차세대 AR 안경의 상용화 시점이 2~3년 앞당겨질 가능성이 높다.
의료 영상 분야에서는 내시경·구강 스캐너·안저 카메라 등 소형 고성능 광학계를 필요로 하는 기기에 적용이 가능하다. 특히 저비용·소형화가 핵심인 개발도상국 의료 기기 시장에서 파급력이 클 수 있다.
기술 이전 및 사업화 관점에서는 성균관대 연구팀이 공정 특허를 확보하고 스핀오프(spinoff) 또는 국내 광학 부품 업체와의 기술 협력을 추진할 가능성이 높다. 한국의 광학 부품 제조 기반(삼성전기, 세코닉스 등)은 이 기술의 조기 산업화에 유리한 생태계를 제공한다.
메타렌즈 시장은 2025년 기준 약 2억 달러 규모로 추정되며, 2030년까지 연평균 30% 이상 성장해 10억 달러를 넘어설 것으로 전망된다. 이번 롤투롤 양산 기술은 그 성장 곡선을 더욱 가파르게 만드는 촉매가 될 가능성이 높다.
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