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ETRI, 메타물질로 빛이나 전자파 완전 흡수 기술 개발

전자책 같은 반사형 디스플레이와 태양 전지에 응용

2019-04-23박응서 기자

홍성훈 선임연구원(왼쪽)과 제1저자 김수정 고려대 박사과정생이 나노결정 기반 메타물질 완전흡수체를 들고 있다. 사진제공 ETRI

국내 연구진이 선명하고 더 다양한 색을 표현하는 나노결정 기반 메타물질 완전흡수체 기술 개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)는 23일 홍성훈 ICT소재연구그룹 박사팀과 고려대 이헌 교수 공동연구팀이 나노 결정 메타물질 소재로 빛이나 전자파를 특정 파장에서 완전하게 흡수할 수 있는 완전흡수체를 개발했다고 밝혔다.

메타물질은 자연에 있는 물질 구조나 배열 형태를 바꾼 인공 소재다. 기존 물질과 달리 자연에 없는 특성을 낼 수 있고, 매우 작고 가볍게 만들 수 있어 다양한 분야에 활용할 수 있다.

연구진은 메타물질을 이용해 ‘메타물질 완전흡수체’를 제작했다. 완전흡수체는 빛이나 전자파를 원하는 파장 영역에서 완전히 흡수할 수 있는 소재로 디스플레이와 태양전지, 적외선 센서, 스텔스 등에 응용할 수 있다.

기존 메타물질 완전흡수체는 가시광 파장 영역 중 좁은 대역에서만 흡수가 일어나 선명한 반사 색상을 구현하기 어려웠다. 하지만 ETRI 연구진은 기존보다 흡수 대역폭을 늘려 색 재현율을 높였을 뿐 아니라 원하는 색상을 쉽게 제작할 수 있도록 만들었다.

연구진은 메타물질 완전흡수체를 구성하는 층에 있는 요소를 변화시켜 기존 문제를 해결했다. 흡수체는 주로 금속과 절연체를 이용해 3개 층으로 만든다. 이때 맨 상단 층은 주로 금(Au)이나 은(Ag) 같은 금속을 사용하는데, 연구진은 금속 대신 나노 결정 메타물질 소재로 층을 만들었다.

그 결과 광학 손실율을 높아져 흡수대역폭이 넓어졌다. 기존 금속 기반 흡수체는 흡수 대역폭이 28나노미터(nm)였지만, 나노결정 흡수체는 최대 10배 이상인 300나노미터까지 늘어나 더 선명한 반사 색상을 구현했다.

 

연구진이 개발한 선명한 색상을 구현한 은 나노결정 기반 메타물질 완전흡수체. 왼쪽은 나노결정 용액이고, 오른쪽은 메타물질 완전흡수체다. 사진제공 ETRI

연구진은 추가로 다양한 색을 구현하는데도 성공했다. 메타물질 완전흡수체로 빛이 들어오면 메타물질 구조에 따라 흡수 파장 영역을 조절할 수 있다. 즉 메타물질 완전흡수체 두께를 달리 해 원하는 색을 구현할 수 있게 된 셈이다. 이렇게 대역폭을 넓히고 두께 변화로 색 재현율 33.8%을 기록했다.

또 연구진은 증착 공정이 아닌 용액 공정을 접목했다. 용액 공정 방식을 이용하면 낮은 공정 비용으로 대면적을 쉽게 제작할 수 있고, 유연한(Flexible) 기판이나 고분자 기판도 제조할 수 있다.

이 연구성과는 ‘반사형 디스플레이’ 기술을 개선하는데 쓰일 수 있다. 반사형 디스플레이는 직사광선에서는 제대로 성능을 발휘하지 못하는 LCD디스플레이나 옥외 스크린, 전자책에 널리 쓰인다. 연구진이 개발한 메타물질 완전흡수체를 활용하면 반사형 디스플레이의 고화질, 저전력화에 크게 도움을 줄 것으로 연구진은 보고 있다.

특히 고해상도로 픽셀을 구현할 수 있어 지폐 위·변조 방지와 브랜드 보호, 홀로그램, 다색 태양전지 같은 분야에서도 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

ETRI ICT소재연구그룹 홍성훈 박사는 “앞으로 한 가지 고정 특성만 나오는 현재의 수동 방식을 넘어 원할 때마다 마음대로 특성을 변경할 수 있는 능동 메타물질 연구와 흡수 대역을 넓혀 색 재현율을 높이는 연구를 지속할 계획이다”고 말했다.

이 연구 성과는 미국화학회 나노분야 국제학술지인 ‘응용재료 인터페이스’(AMI) 온라인 2월호에 게재됐다. 한편 연구진은 디스플레이 제작업체나 태양전지 회사에 기술이전을 추진할 계획이다.

 

[테크M = 박응서 기자(gopoong@techm.kr)]
 

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