ETRI, 나노 메타물질 완전흡수체 개발해 디스플레이 업그레이드

국내 연구진이 메타물질 원천소재기술 개발에 이어 기존보다 선명하고 더욱 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 매우 얇거나 작고 가벼운 형태로 만들 수 있어 다양한 분야에 활용이 가능하다.

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

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

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

ETRI ICT소재연구그룹 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 계획"이라고 말했다.

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

연구진의 성과는 '반사형 디스플레이'기술을 개선하는데 쓰일 수 있다. 반사형 디스플레이는 직사광선에서는 제대로 성능을 발휘하지 못하는 LCD 디스플레이나 옥외 스크린, 전자책 등에 자주 쓰인다. 연구진이 개발한 메타물질 완전흡수체를 적용하면 반사형 디스플레이의 고화질, 저전력화에 큰 도움이 될 것으로 연구진은 보고 있다.

뿐만 아니라 고해상도 픽셀 구현이 가능해 지폐의 위·변조 방지, 브랜드 보호, 홀로그램, 다색 태양전지 등 분야에서도 많은 활용이 이뤄질 것으로 예상된다.

연구진은 메타물질 완전흡수체를 구성하는 층의 요소에 변화를 주면서 문제를 해결했다. 흡수체는 주로 금속과 절연체를 이용해 3개의 층으로 만든다. 이때 맨 상단 층은 주로 금(Au)이나 은(Ag) 등 금속을 사용한다. 그러나 연구진은 기존 금속 대신 나노 결정 메타물질 소재로 층을 형성했다.

그 결과, 광학 손실율을 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.

뿐만 아니라 연구진은 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. 이렇게 대역폭을 넓히고 두께의 변화를 통해 색을 표현한 결과, 색 재현율 33.8%을 기록했다.

또한, 연구진은 증착 공정이 아닌 용액 공정을 접목했다. 용액 공정 방식은 대면적에 낮은 공정 비용으로 쉽게 제작할 수 있을 뿐 아니라 유연한(Flexible) 기판이나 고분자 기판제조도 가능하다.

연구진은 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.

이러한 연구진은 학계에서도 성과를 인정받아 미국화학회 나노분야 국제학술지인 '응용재료 인터페이스'(AMI)온라인에 2월 등재됐다.

[e-mail] 김만기 기자