일본산업뉴스요약

AGC, 고난이도 청색 메타렌즈를 대폭 얇게 제작
AI 설계 기술도 외부에 제공

AGC는 미세한 기둥(나노필러)을 다수 배치하여 빛을 제어하는 광학 소자, 메탈렌즈 제조 기술을 개발했다. 기존의 광학 렌즈보다 얇은 메타렌즈를 한층 더 얇게 제작했다. 가공이 어려운 청색 메탈렌즈를 제조할 수 있게 되면서, 메타렌즈가 안고 있던 과제 중 하나가 해결에 가까워졌다. 이는 풀컬러 디바이스나 AR(증강현실) 안경 등을 실현하는 데 기여한다.

AGC의 첨단기반연구소 기능화프로세스부 우에노(宇惠野) 수석 매니저는 “우리는 ‘청색광 대응’과 ‘기판의 박형화’와 같은 독자적인 기술 개발을 진행하고 있다”고 말했다. 재료와 가공 기술의 강점을 살려 다양한 용도로 전개하는 것을 내다보고 있다”고 포부를 밝혔다. 그는 메타렌즈 분야의 최첨단 연구실 중 하나인 미국 MIT의 Juejun Hu 연구실에서 2022~2024년에 머신러닝을 활용한 메타렌즈 설계 연구에 종사했다.

우에노 매니저는 “학계 단계에서 성과를 내고 있는 메타렌즈를 어떻게 사회에 구현할 것인가? 우리는 웨이퍼 규모의 대량 생산을 목표로 검토를 진행해 왔다”고 말했다. 동시에 AI를 활용한 설계의 고속화도 실현했다. 그는 “설계 분야에서 일본이 뒤처진다고 평가받았지만, MIT와의 협업이나 AI 기술을 활용해 해외 기업들과 같은 수준까지 올라섰다”고 말했다.

-- 촉매 에칭으로 가늘고 높은 기둥을 만든다 --
AGC는 메타렌즈 소재 중 하나로 유리를 채택하고 있다. 유리는 폭넓은 파장 대역에 걸쳐 안정적인 광학 특성을 발휘할 수 있다. 일반적으로 메타렌즈에서는 비정질 실리콘(a‑Si)이나 이산화티타늄(TiO₂) 등 광학 박막 재료가 널리 쓰인다. 그러나 가시광선의 일부와 자외선(UV) 영역 등 단파장 대역에서는 재료 자체에 빛이 흡수되는 영향 때문에 충분한 광학 특성을 발휘하기 어려운 과제가 있다.

제조의 핵심은 단일 유리 재료를 사용한다는 점이다. 일반적으로 메타렌즈는 기판 위에 굴절률이 서로 다른 재료의 광학 박막을 적층한 뒤, 이를 깎아내어 만든다. 하지만 박막 내부의 잔류 응력이나 가공 과정 중 기판에 열이 가해졌을 때 층별 열팽창률 차이로 인해 기판이 휘어지는 문제가 발생한다. 특히 기판이 얇아질수록 이 문제가 발생하기 쉽다. 반면 단일 재료를 사용하면 휘어짐이 거의 일어나지 않기 때문에 0.5~0.7mm였던 메타렌즈의 두께를 0.1mm까지 줄일 수 있다.

유리 소재를 이용한 메타렌즈 제조에서는 종횡비(직경 대비 높이)가 높은 기둥을 가공하기가 매우 어렵다. 메타렌즈에서는 파장의 절반에서 1/10 정도의 가느다란 기둥을 성형해야 한다. 예를 들어 파장이 짧은 파란색(약 400nm)의 경우, 가장 가느다란 직경이 수십 nm 정도이고, 높이가 최대 2000nm 정도인 기둥을 밀집시켜 만들어야 한다.

AGC 기술은 이러한 높은 종횡비의 기둥을 고밀도로 제조할 수 있다. 유리처럼 굴절률이 낮은 재료로 빛의 위상을 지연시키기 위해서는 적어도 종횡비가 15~20 이상인 충분한 높이의 기둥을 만들어야 한다. 반도체 공정에서 일반적으로 사용되는 드라이 에칭 제법으로는 달성하기 힘든 수치이지만, AGC의 제법을 사용하면 웨이퍼 스케일에서 종횡비 30 정도의 일괄 가공이 가능하고, 개발 베이스에서는 50 정도의 초고종횡비 기둥도 제작할 수 있다고 한다.

AGC가 사용하는 기술은 독자적으로 개발한 촉매 에칭 프로세스다. 먼저 포토리소그래피를 이용해 깎아내고 싶은 위치에 유리와 반응하는 포토레지스트(촉매)를 배치한다. 그 다음 플루오린화수소(HF) 가스를 흘려보내면, 깎아내고자 하는 부분만 깊게 수직으로 깎을 수 있다.

-- AI로 제조 공정 고려한 고속 설계, PDK화도 추진 --
또한 AGC는 성능을 보장하면서 AI를 통해 메타렌즈를 고속으로 설계하는 기술을 개발했다. 나노필러를 포함해 메타렌즈를 구성하는 요소인 메타아톰의 형상을 최적화한다. 핵심은 제조 노하우를 고려해 높은 광학 성능과 제조 용이성을 동시에 갖췄다는 점이다. 기존 AI 알고리즘에서는 제조할 수 없는 메타아톰 형상이 출력되는 경우가 있었다. 반면 AGC의 기술로는 원하는 광학 특성을 충족하면서도 자사의 생산 프로세스에서 제조 가능한 메타아톰만을 출력하도록 설계했다.

이 AI 모델은 설계 정보와 툴을 하나로 묶은 개발 키트인 PDK(프로세스 디자인 키트)에 통합할 수 있다. 고객의 요구 조건에 맞춘 설계를, 기존의 오더 메이드 방식보다 더 빠르게 제공할 수 있는 체계를 갖출 수 있다고 한다.

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