나노 3D프린팅으로 빛 제어, 첨단 디스플레이 활용해
“공작새 깃털의 아름다운 색상을 3D프린터로 표현해”
한국전기연구원(KERI) 스마트 3D프린팅 연구팀의 표재연 박사팀은 ‘나노 3D프린팅 기술’을 기반으로, 빛의 경로를 제어할 수 있는 3차원 회절격자를 구현하는 데 성공해, 커다란 주목을 받고 있다.
이 기술은 자연에서 관찰되는 구조색(structural color)의 원리를 첨단 디스플레이 기술에 활용할 수 있는 신기술로 평가받고 있다.
특히 카멜레온의 변화무쌍한 피부색이나 공작새의 아름다운 깃털 색의 물리현상을 나노 3D프린팅으로 구현해 투명 디스플레이나 증강현실(AR) 장치 등에 활용할 수 있는 기술로서 세계 최초로 개발했다.
빛은 파장 수준의 작은 미세구조(머리카락 두께의 1/100~1/1000)를 만나면 회절하여 경로가 바뀐다. 이때, 미세 구조에 규칙성이 있다면 회절에 의해 특정 파장의 빛만을 반사하여 색상을 낼 수 있는데, 이를 ‘구조색’이라고 한다.
자연에서 관찰되는 예로, 카멜레온의 피부색은 여러 색소에 의한 것이 아니라 피부의 미세구조를 변화시켜 구조색이 변화하는 것이고, 공작새의 깃털은 내부 미세 구조의 특징적인 배열로 인해 아름다운 구조색이 보이는 것이다.
KERI의 성과는 구조색을 정교하게 제어할 수 있는 ‘회절격자(diffraction grating)’를 나노 3D프린팅 기술로 구현한 것이다. 회절격자는 빛의 회절을 제어하는 목적으로 평행선 등의 미세 구조를 규칙적으로 배열시킨 장치다.
여기에 빛을 비추면 파장에 따라 빛이 다른 경로로 반사되어 구조색이나 스펙트럼이 발생된다. 즉, 3D프린팅 기술을 활용해 빛을 제어하여 염료 없이 자연의 아름다운 구조색을 정밀하게 구현하는 기술이다.
파장이 머리카락 두께의 1/1000 수준에 불과한 빛의 회절을 제어하기 위해서는 아주 미세한 회절격자가 필요하다.
세계최고 수준의 나노 3D프린팅 기술을 보유한 KERI는 ‘수평 인쇄(Lateral printing)’라는 새로운 접근방법으로 고밀도의 나노선 회절격자를 인쇄하는 데 성공했다. 3D프린팅 노즐을 마치 바느질하듯이 움직여 다리(bridge) 모양(﹇)의 회절격자로 여러 줄 인쇄하는 방식이다.
이번에 구현한 회절격자는 첨단 디스플레이 분야에 활용처가 많을 것으로 기대된다. 회절격자 자체의 투명성에 주목해 스마트 창문이나 거울, 자동차의 헤드업 디스플레이 등 미래형 투명 디스플레이 분야에 활용될 수 있다.
또한, 핵심 구성요소로 이미 회절격자를 활용하고 있는 증강현실(AR) 장치에도 다양하게 적용될 수 있다. 나아가, 회절격자는 변형에 따라 다른 색상이 발현되도록 설계할 수 있어 변형 감지가 필요한 기계공학과 생의학 분야에 이용이 가능하며, 회절격자 자체로서 다양한 광 물리 연구에 활용될 수 있다.
KERI 표재연 박사는 “기판의 소재나 형태의 제약 없이 원하는 위치에 원하는 구조색을 정확히 구현하는 세계최고 수준의 3D프린팅 기술”이라고 밝히며 “디스플레이 장치의 정형화된 ‘폼-팩터(Form-Factor)’ 한계를 극복하고, 형태의 다변화를 가져올 수 있을 것”이라고 전했다.
관련 연구 결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 재료과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 ‘ACS Nano’에 표지논문으로 게재됐다. 학술지의 영향력을 평가하는 ‘JCR Impact Factor’는 17.100으로, 해당 분야 상위 5.7%에 속한다.
원천기술의 특허 출원을 완료한 KERI는 이번 성과가 디스플레이 관련 기업들의 많은 관심을 받을 것으로 보고, 수요 기업을 발굴하여 기술이전을 추진할 계획이다.
한편 KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 이번 연구는 KERI의 기본사업인 ‘전기·전자기기 회로/하우징 일체화 4D프린팅 기술 개발’ 과제를 통해 진행됐다. 표재연 박사는 과학기술연합대학원대학교(UST)의 겸임 부교수로도 재직 중이다.