- ETRI, 나노결정기반 메타물질 완전흡수체 개발
- 반사형 디스플레이, 다색 태양전지, 지폐 위ㆍ변조방지 적용 가능
- 최대 10배 흡수대역 넓혀 선명한 반사 색상 구현, 흡수특성 바꿔 원하는 색 표현

ETRI 연구진이 개발한 선명한 색상이 구현된 은 나노결정 기반 메타물질 완전흡수체.[제공=ETRI]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 메타물질 원천소재기술 개발에 이어 기존보다 선명하고 더욱 다양한 색상을 표현할 수 있는 나노결정 기반 메타물질 완전 흡수체 기술 개발에 성공했다.

메타물질은 자연에 있는 물질과 달리 구조나 배열 형태에 의해 새로운 특성을 구현할 수 있는 인공적 물질을 말한다. 또 메타물질 완전흡수체는 빛이나 음파, 복사열, 전자파 등을 선택적 파장의 얇은 박막 구조에서도 완전히 흡수할 수도 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 새로운 특성을 가지는 나노결정 기반의 메타물질 원천소재를 적용, 가시광 파장영역에서 기존보다 넓은 흡수 대역을 가지는 메타물질 완전흡수체를 만들었다고 23일 밝혔다.

연구진은 메타물질 완전흡수체가 수백 나노미터(nm) 이하 크기의 얇은 박막구조에서도 선택적 파장의 빛 등을 완전히 가두어 흡수할 수 있는 원리라고 설명했다. 얇은 박막 구조로도 스텔스 기능을 구현하는 것과 같다.

이 기술의 특성을 활용하게 되면 향후 반사형 디스플레이나 다양한 색상의 도심형 태양전지, 지폐의 위·변조 방지기술 등에 적용될 수 있다.

기존 메타물질 완전흡수체는 가시광 파장 영역 중 좁은 대역에서만 흡수가 일어나 선명한 반사 색상 구현이 어렵다는 난제가 있었다.

ETRI는 그동안 기존 메타물질에서 금(Au)이나 은(Ag) 등 금속이 많이 쓰였는데 이를 특성 조절이 가능한 나노결정 기반 메타물질 소재를 사용, 금속-절연체-금속층을 제조해 메타물질 완전흡수체 구조를 만들었다.

이로써 높은 손실율을 가지는 나노결정 기반 금속층을 적용, 가시광 파장 영역에서 메타물질 완전흡수체의 흡수대역폭을 크게 넓힐 수 있었다.

기존 금속 기반 흡수체의 경우 흡수 대역폭이 28나노미터(nm)였지만, 이번 연구진이 만든 나노결정 흡수체는 최대 10배 이상인 300nm까지 늘려 보다 선명한 반사 색상을 구현할 수 있었다.

뿐만 아니라 보다 다양한 색을 구현하는데도 성공했다.

메타물질 완전흡수체로 빛이 들어오게 되면 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 셈이다.

두께 변화를 통해 색을 표현한 결과, 다채로운 색상을 쉽게 구현할 수 있었고, 높은 색 재현율 33.8%을 기록했다.

연구진은 2.5cm x 2.5cm 크기의 은 나노결정 기반 플렉서블 메타물질을 제작했다.

두께는 100~200나노미터(nm) 크기다.

향후 이렇게 제작된 메타물질은 플렉서블 디스플레이 등에서 색상을 구현하는 하나의 픽셀(pixel)에 적용할 수 있다.

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 메타물질 완전흡수체의 색 재현율을 높이는 연구를 지속할 계획”이라고 말했다.

연구진은 이 기술을 3년 이내에 완성해 디스플레이 제작업체나 태양전지 회사 등에 기술이전을 추진할 예정이다.

이번 연구성과는 미국화학회가 발간하는 국제학술지 ‘응용재료 인터페이스’(AMI) 2월호 온라인판에 게재됐다.

구본혁기자nbgkoo@heraldcorp.com