염료 없이 레이저로 기판 표면의 산화철 높이 조절해 빛의 간섭 제어

표면 흡수율 차이를 이용한 맞춤형 광전자 장치 제작 기반 마련

왼쪽부터 교신저자 한양대학교 홍석준 교수, 서울대학교 고승환 교수. 한국생산기술연구원 권진형 박사. 한양대학교 이영근 석사

다양한 색상의 표현은 단순한 장식 뿐만 아니라 광전자 장치의 효율에 관련된 중요한 기술이다. 색소를 통한 색의 구현은 다양한 염료가 필요하다는 단점이 있다. 반면, 구조색의 경우에는 표면의 미세구조 또는 높이를 조절함으로써 다양한 색을 표현할 수 있다. 레이저를 이용해 금속기판에 산화철을 80nm 높이에서 200nm 높이까지 자유자재로 성장, 다양한 구조색을 표현하는 기술이 개발됐다.

한양대학교 홍석준 교수 연구팀 등 국내 연구진이 레이저를 이용한 산화철 박막의 선택적 성장을 통해 금속 기판 상에 다양한 구조색을 구현했다고 밝혔다. 구조색(Structure coloration)은 기하학적 구조에 따른 빛의 간섭과 회절 등을 통해 나타나는 색, 대표적인 예로 공작의 날개깃털이 있다.

물체가 지닌 고유색이 아니라 물체의 기하학적 구조에 따른 빛의 회절이나 간섭 등으로 나타나는 구조색은 다양한 색의 염료 없이 구조만으로 다채로운 색을 구현할 수 있어 특히 광전자 분야에서 연구가 활발하다. 표면의 미세한 홈을 만난 빛이 각기 다른 각도로 꺾여 여러 파장의 빛으로 분산되면서 나타나는 CD 뒷면의 무지개색이 구조색의 대표적 예이다.

(그림1) 레이저 유도 열수성장을 통한 실시간 색상구현공정의 개념도. 백금으로 코팅된 기판을 산화철 전구체 용액 상에 두고, 레이저를 조사하여 표면에 산화철을 성장시키는 모습을 보여준다. 아래에서는 다양한 레이저 스캐닝 파라미터에 따라 관찰되는 가시광선 영역대의 색상을 실시간으로 보여주고 있다. 제공 : 한양대학교 기계설계공학과, 이영근 연구원

기존에는 진공에서 물질 표면에 빔이나 가스를 조사하여 증착, 기하학적 미세구조를 형성하거나 미세구조 표면 높이를 조절하는 방식으로 구조색을 구현하려는 시도가 있었다.

하지만 진공에서 진행되는 증착공정은 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있었다. 연구팀은 용액(염화철, 질산나트륨 등) 속에 든 백금기판에 연속파 레이저를 조사, 기판 표면에 산화철을 성장시켰다.

레이저의 에너지, 노출시간 등을 조절하여 산화철 높이를 달리 성장시켜, 산화철에 닿는 빛의 간섭현상으로 다양한 색을 구현 하는 데 성공했다. 나아가 형성된 산화철 박막을 제거하거나 산화철의 결정상 변화를 통해 이미 구현된 색을 수정할 수 있도록 했다. 프로그래밍 하듯 광전자 장치를 조율할 수 있는 가능성을 보여준 것이다.

(그림2) 레이저 유도 열수성장으로 제작된 다양한 색상 팔레트와 그림들 레이저 열수 유도 성장을 활용하여 제작한 다양한 구조색을 제시하였다. 오른쪽 샘플은 실린더형 렌즈를 달아서 넓은 영역에서의 박막 형성 및 색상구현을 시도 하였다. 이를 통해 레이저 공정의 단점 중 하나인 대면적 공정이 어렵다는 한계를 극복하였다. 그리고 위쪽의 샘플은 이러한 일련의 공정을 활용하여 제작한 ‘진주 귀걸이를 한 소녀’그림이다.제공 : 한양대학교 기계설계공학과, 이영근 연구원

표면에 보이는 구조색은 빛의 흡수 및 반사와 관련되기에 광전소자 효율 향상에 이용될 수 있다. 기존 증착공정 기반 광전자 장치에서의 색상구현을 보다 간소화할 수 있는 실마리를 제시했다는 설명이다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 신진연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 9월 28일 게재되었다.

한국연구재단 홍보실 제공