- 3차원 나노 복합체 이용, 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절 범위 달성

- 에너지 절감형 스마트 윈도우, 두루마리 타입 빔프로젝터 스크린 등에 활용

신라대(총장 박태학) 심영석 교수가 참여한 국내 연구팀이 기존 창호 시스템을 교체하지 않고서도 투과율을 큰 폭으로 자유롭게 조절할 수 있고 에너지 절감형 스마트 윈도우 등으로 활용 가능한 새로운 광학 필름 제작 기술을 개발했다.

신라대는 신소재공학부 심영석 교수팀이 3차원 나노 복합체를 이용, 에너지의 효율적인 신축변형을 통해 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절이 가능한 능동형 광학 필름을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구에는 심영석 교수가 주저자로 참여했으며, KAIST 전석우 교수, 홍정욱 교수, 조동휘 박사과정생 등 공동 연구팀과 함께했다. 금번 연구결과는 재료 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 4월 26일 자 온라인 판에 실렸다.(논문명 : High-Contrast Optical Modulation from Strain-Induced Nanogaps at Three-Dimensional Heterogeneous Interfaces)

연구팀은 정렬된 3차원 나노 네트워크에 기반한 신축성 나노 복합체를 이용해 가시광 투과율을 최대 90%에서 16%까지 조절 할 수 있는 넓은 면적의 광학 필름 제작에 필요한 원천 기술을 확보했다. 약 74%인 이 범위는 평균적으로 46%의 범위를 가졌던 기존 2차원 필름의 수준을 훨씬 뛰어넘는 세계 최고 수준의 기술이라고 연구팀은 밝혔다. 최근 들어 제로 에너지 빌딩, 스마트 윈도우, 사생활 보호 등 에너지 저감, 감성 혁신 응용에 대한 관심이 급증함에 따라 능동형 광학 변조 기술이 주목 받고 있다. 기존의 외부 자극(전기, 열, 빛 등)을 이용한 능동형 광학 변조 기술은 느린 반응속도와 불필요한 색 변화를 동반하고 안정성이 낮아 선글라스, 쇼케이스, 광고 등 매우 제한적인 분야에만 적용돼왔기 때문에 현재 이를 개선할 수 있는 새로운 형태의 광학 변조 기술 개발이 활발하다.

에너지의 효율적인 신축 변형을 이용한 광학 변조 기술은 비교적 간단한 구동 원리와 낮은 에너지 소비로도 투과율을 효율적으로 제어할 수 있는 장점을 지녀 그동안 학계 및 관련 업계로부터 집중적인 관심을 받아왔다. 그러나 기존 연구에서 보고된 광 산란 제어를 유도하는 구조는 대부분 광학 밀도가 낮은 2차원 표면 구조에 기반 하기 때문에 좁은 투과율 변화 범위를 갖고, 물 등 외부 매질과 인접할 때 광학 변조 기능을 잃어버리는 문제를 가지고 있다. 특히, 비 정렬 구조에 바탕을 두고 있어 광학 변조 특성이 균일하지 못해 넓은 면적으로 만들기도 힘들다.

연구팀은 정렬된 3차원 나노구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝 (PnP, Proximity-field nanopatterning) 기술과 산화물 증착(증기를 표면에 얇은 막으로 입힘)을 정교하게 제어할 수 있는 원자층 증착법 (ALD, Atomic layer deposition)을 이용했다. 이에 주기적인 3차원 나노쉘 (nanoshell) 구조의 알루미나 (alumina)가 탄성중합체에 삽입된 신축성 3차원 나노복합체 필름을 현존하는 광학 변조 필름 중 가장 큰 면적인 3인치×3인치 크기로 제작하는 데 성공했다. 광학 필름을 약 60% 범위로 당겨서 늘릴 경우 산화물과 탄성중합체의 경계면에서 발생하는 수없이 많고 작은 구멍에서 빛의 산란 현상이 발생하는 데 연구팀은 이를 이용해 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절 범위인 약 74%를 달성했다. 더불어 10,000회에 걸친 반복적인 구동 시험과 굽힘 및 뒤틀림 등 거친 변형, 70℃ 이내 고온 환경에서의 구동, 물속에서의 구동 특성 등을 확인한 결과, 높은 내구성과 안정성을 확인했다. 이와 함께 재료역학적 광학적 이론 해석을 바탕으로 경계면에서 발생하는 광 산란 현상 메커니즘을 규명하는 데도 성공했다.

심영석 교수는 “이번에 새로 개발된 기술은 기존 창호 시스템 교체 없이 간단한 얇은 필름 형태로 유리 표면에 부착함으로써 투과율을 조절할 수 있는 에너지 절감형 스마트 윈도우로 활용이 가능할 뿐만 아니라 두루마리 타입의 빔프로젝터 스크린 응용 등 감성 혁신적인 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 다부처 공동사업과 글로벌 프론티어 사업, 그리고 이공분야기초개발사업의 지원을 통해 수행됐다.

권영미 기자 kym8505@kookje.co.kr