| 빛 흡수대역 10배 넓혀 반사 색상 더욱 선명
| 반사형 디스플레이, 태양 전지 등에 응용
| 용액 공정으로 유연한 기판도 쉽게 제작해

한국전자통신연구원이(ETRI) 나노결정 기반 광대역 메타물질 완전흡수체 기술 개발에 성공했다.
메타물질은 자연에 있는 물질 구조나 배열 형태를 바꾼 인공 소재다. 기존 물질과 달리 자연에 없는 특성을 낼 수 있고, 매우 얇거나 작고 가벼운 형태로 만들 수 있어 다양한 분야에 활용이 가능하다. 완전흡수체는 빛이나 전자파를 원하는 파장 영역에서 완전히 흡수할 수 있는 소재로 디스플레이, 태양전지, 적외선 센서, 스텔스 등에 응용될 수 있다.

ETRI 연구진은 지난해 8월, 메타물질 완전흡수체를 제작한 바 있다. 그러나 이 메타물질 완전흡수체는 가시광 파장 영역 중 좁은 대역에서만 흡수가 일어나 선명한 반사 색상 구현이 어려웠다.

하지만 이번에 ETRI 연구진은 기존보다 흡수 대역폭을 늘려 색 재현율을 높였을 뿐 아니라 원하는 색상을 쉽게 제작할 수 있도록 만드는데 성공했다.

이 기술은 ‘반사형 디스플레이’ 기술을 개선하는데 쓰일 수 있다. 반사형 디스플레이는 직사광선에서는 제대로 성능을 발휘하지 못하는 LCD 디스플레이나 옥외 스크린, 전자책 등에 자주 쓰인다. ETRI 연구진이 개발한 메타물질 완전흡수체를 적용하면 반사형 디스플레이의 고화질, 저전력화에 큰 도움이 될 것으로 보인다.
뿐만 아니라 고해상도 픽셀 구현이 가능해 지폐의 위변조 방지, 브랜드 보호, 홀로그램, 다색(多色) 태양전지 등 분야에서도 많은 활용이 이뤄질 것으로 예상된다.

ETRI 연구진은 메타물질 완전흡수체를 구성하는 층의 요소에 변화를 주면서 문제를 해결했다. 흡수체는 보통 금속과 절연체를 이용해 3개의 층으로 만든다. 이때 맨 상단 층은 주로 금(Au)이나 은(Ag) 등 금속을 사용한다. 연구진은 그러나 기존 금속 대신 나노 결정 메타물질 소재로 층을 형성했다. 그 결과, 광학 손실률을 높여 흡수대역폭을 넓힐 수 있었다. 기존 금속 기반 흡수체의 경우 흡수 대역폭이 28나노미터(nm)였지만, 나노결정 흡수체는 최대 10배 이상 300nm까지 늘어나 보다 선명한 반사 색상을 구현했다.

보다 다양한 색을 구현하는데도 성공했다. 메타물질 완전흡수체로 빛이 들어오면 두께 등 메타물질 구조에 따라 흡수할 수 있는 파장 영역을 조절할 수 있게 된다. 즉, 메타물질 완전흡수체의 두께를 달리 하면서 원하는 색을 구현할 수 있게 된 것이다. 이렇게 대역폭을 넓히고 두께의 변화를 통해 색을 표현한 결과, 색 재현율 33.8%을 기록했다.
ETRI 연구진은 또한 증착 공정이 아닌 용액 공정을 접목했다. 용액 공정 방식은 대면적에 낮은 공정비용으로 쉽게 제작할 수 있을 뿐 아니라 유연한(Flexible) 기판이나 고분자 기판제조도 가능하다. 이를 통해 ETRI 연구진은 두께 100~200nm, 2.5cm x 2.5cm 크기의 은 나노결정 기반 플렉서블 메타물질을 제작했다. 이렇게 제작된 메타물질은 플렉서블 디스플레이 등에서 색상을 구현하는 하나의 픽셀에 적용할 수 있다.

이번 연구 결과는 학계에서도 인정받아 미국화학회 나노분야 국제학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 온라인에 2월 등재되었다.

ETRI ICT 소재연구그룹 홍성훈 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 계획이다”고 말했다.

연구진은 본 기술 관련 연구를 지속해 향후 디스플레이 제작업체나 태양전지 회사 등에 기술이전을 추진할 계획이다.

이 연구는 과기부의 ‘가시광파장용 나노결정기반 3차원 저손실 메타소재 개발’사업과 ‘3D 포토 일렉트로닉스 원천기술 개발’사업의 일환으로 진행되었다.