ETRI, 나노결정 소재 메타물질 완전 흡수체 개발

빛 흡수 대역 최대 10배 넓혀 보다 선명한 반사 색상 구현
용액 공정 사용해 유연한 기판에도 쉽게 제작 가능
국내 연구진이 기존보다 선명하고 다양한 색상을 표현할 수 있는 나노결정 기반 광대역 메타물질 완전 흡수체 기술을 개발했다. 

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

연구진은 메타물질을 이용해 '메타물질 완전 흡수체'를 제작했다. 완전 흡수체는 빛이나 전자파를 원하는 파장 영역에서 완전히 흡수할 수 있는 소재로 디스플레이, 태양전지, 적외선 센서, 스텔스 등에 응용될 수 있다.

기존 연구된 메타물질 완전 흡수체는 가시광 파장 영역 중 좁은 대역에서만 흡수가 일어나 선명한 반사 색상 구현이 어려웠다. 

이에 ETRI 연구진은 기존보다 흡수 대역폭을 늘려 색 재현율을 높였을 뿐 아니라 원하는 색상을 쉽게 제작할 수 있도록 했다. 

연구는 '반사형 디스플레이' 기술 개선에 쓰일 수 있다. 반사형 디스플레이는 직사광선에서 제대로 성능을 발휘하지 못하는 LCD 디스플레이나 옥외 스크린, 전자책 등에 활용할 수 있다.

연구진에 의하면 개발한 메타물질 완전 흡수체를 적용해 반사형 디스플레이의 고화질, 저전력화도 이뤄낼 수 있다. 

또한, 고해상도 픽셀 구현으로 지폐 위·변조 방지, 브랜드 보호, 홀로그램, 다색(多色) 태양전지 등에도 활용될 수 있다.   

연구진은 메타물질 완전 흡수체를 구성하는 층의 요소에 변화를 주면서 기존 문제를 해결했다. 흡수체는 주로 금속과 절연체를 이용해 3개의 층으로 만든다. 이때 맨 상단 층에 주로 금속을 사용하는 것과 달리 연구진은 나노 결정 메타물질 소재로 층을 형성했다. 

그 결과, 광학 손실율을 높여 흡수 대역폭을 넓혔다. 기존 금속 기반 흡수체의 경우 흡수 대역폭이 28나노미터(nm)였지만, 나노결정 흡수체는 최대 10배 이상 300nm까지 증가해 보다 선명한 반사 색상을 구현했다.  

다양한 색 구현도 성공했다. 메타물질 완전 흡수체로 빛이 들어오게 되면 두께 등 메타물질 구조에 따라 흡수할 수 있는 파장 영역을 조절할 수 있다. 메타물질 완전 흡수체의 두께를 달리 하면서 원하는 색을 구현할 수 있게 된 것이다. 연구진의 측정결과 색 재현율 33.8를 나타냈다.

공정에도 증착 공정이 아닌 용액 공정을 접목했다. 용액 공정 방식은 대면적에 낮은 공정 비용으로 쉽게 제작할 수 있고, 유연한(Flexible) 기판이나 고분자 기판제조도 가능하다.  

이를 통해 두께는 100~200나노미터(nm), 2.5cm x 2.5cm 크기의 은 나노결정 기반 플렉서블 메타물질을 제작했다. 이렇게 제작된 메타물질은 플렉서블 디스플레이 등에서 색상을 구현하는 하나의 픽셀(pixel)에 적용할 수 있다.

연구진은 기술 연구를 지속해 향후 디스플레이 제작업체나 태양전지 회사 등에 기술이전을 추진할 계획도 밝혔다.

홍성훈 ETRI ICT소재연구그룹 박사는 "향후 한 가지 고정된 특성만 나오는 수동 방식의 현재 수준을 넘어 원할 때마다 마음대로 특성을 변경할 수 있는 능동 메타물질 연구와 흡수 대역을 넓혀 색 재현율을 높이는 연구를 지속할 계획"이라고 말했다.   

이번 연구는 과학기술정보통신부의 '가시광파장용 나노결정기반 3차원 저손실 메타소재 개발' 사업과 '3D 포토 일렉트로닉스 원천기술 개발' 사업의 일환으로 진행됐다.

연구 성과는 미국화학회 나노분야 국제학술지 '응용재료 인터페이스(AMI)' 온라인판에 2월자로 등재됐다.


ETRI 연구진이 개발한 선명한 색상이 구현된 은 나노결정 기반 메타물질 완전 흡수체. 나노결정 용액(왼쪽)과 메타물질 완전 흡수체(오른쪽).<사진=ETRI 제공>ETRI 연구진이 개발한 선명한 색상이 구현된 은 나노결정 기반 메타물질 완전 흡수체. 나노결정 용액(왼쪽)과 메타물질 완전 흡수체(오른쪽).<사진=ETRI 제공>
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