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이은지(포항공과대학교 기계/화학공학과)
2022-08-02
원스텝 메타렌즈 대량생산 위해서는 이를 구성하는 물질이 두 가지 조건을 충족해야 한다. 첫번째로 임프린팅 공정을 진행할 때 몰드에서 구조물을 쉽게 전사 가능하여야 하며, 두번째로 높은 굴절률을 가져야 한다. 일례로 UV-curable 레진을 이용하면 UV에 의해 경화되므로 앞서 말한 NIR의 여러 과정을 거칠 필요 없이 첫번째 조건을 충족시킬 수 있다. 일반적인 레진의 경우 단량체 및 광개시제 등으로 구성되어 있으며, 열, 압력, UV 등을 통해 경화를 진행하므로 이러한 처리 이후에도 기계적으로 안정해야 한다. 그러면서도 몰드 패턴을 전사하기 위해 점성이 있어야 한다. 그러나 일반적인 레진의 경우 굴절률이 현저히 낮으므로 위 메타렌즈 재료의 두번째 조건을 충족시키지 못한다. 두번째 조건은 레진에 나노입자를 넣어 균일하게 섞은 나노입자 혼합 레진를 만듦으로써 해결할 수 있다. 이 때, 나노입자 혼합 레진이 균일하게 분산된 균질한 매체로 취급되기 위해서 나노입자가 응용되는 영역의 파장보다 작은 입자 사이즈를 가져야 한다.  나노입자로는 일반적으로 고굴절률을 가지는 TiO2, Si 등이 사용된다. 나노입자의 물성에 따라서도 적용될 수 있는 파장 영역이 다른데, TiO2 나노입자의 경우 가시광선 영역에서는 아래 언급할 결과와 같이 532 nm 파장에서 약 1.94 정도의 높은 굴절률을 가지지만 파장이 증가함에 따라 굴절률이 감소하여 근적외선 영역의 응용에는 적합하지 않다. (Fig 1) 이에 근적외선 영역의 경우 해당 영역에서도 높은 굴절률을 가지는 Si 나노입자를 사용한다. [3] 나노입자 혼합 레진의 굴절률은 나노입자의 함량에 따라서도 달라지므로 이를 조절하여 렌즈의 특성을 조절할 수 있다.  이를 확인하기 위해 본 연구실에서는 대표적으로 TiO2를 사용하여 나노입자의 중량비를 0 wt%에서 100 wt%까지 20 wt%차이로 여섯 개를 준비하여 이의 굴절 특성을 비교해 보았다. 나노입자의 중량비가 증가할수록 고굴절률 나노입자의 영향이 커져 나노입자 혼합 레진의 유효굴절률은 증가하게 된다.  하지만 나노입자의 중량비가 너무 커진 경우에는 나노입자 사이를 본딩해주는 레진이 없으므로 전사가 원활하게 될 수 없다. 80 wt%의 중량비(부피 분율은 약 40%)를 가질 때 532 nm 파장의 조건하에서 굴절률은 최대 1.94의 값을 가짐을 확인하였다.  |
- 나노입자 혼합
- 레진의 굴절률
- TiO2
- 고굴절률 나노입자
- 유효굴절률
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