김정환 교수

국립한밭대학교(총장 오용준) 신소재공학과 김정환 교수(교신저자)와 황해인 석사연구원(제1저자)의 연구 논문이 나노과학 분야의 국제 저명 학술지인 ‘Small’(Impact Factor 12.1, JCR 7%)에 게재됐다고 밝혔다.

본 논문 제목은 ‘Realizing Structural Coloration via Lamellar Nanostructures Formed by Precise Mechanical Patterning and Selective Etching of Metal Multilayer Films’이다.

이번 연구는 자연계 몰포(Morpho) 나비의 푸른 날개색을 모사한 나노 라멜라(Lamellar) 구조를 정밀 기계 가공과 선택적 화학 식각 기술을 통해 구현한 것으로, 이를 통해 빛의 간섭 현상에 기반한 구조색(Structural Color)을 실험적으로 개발했다.  

표면 구조색은 기존 염료(Dye) 기반 색상 표현 방법과 달리 염색 과정에서 발생하는 환경오염을 줄일 수 있어 친환경적일 뿐만 아니라, 나노 패턴과 결합할 경우 복제가 사실상 불가능하여 위조 방지 소자로의 응용 가능성도 높다.

김 교수 연구팀은 이러한 구조색 구현을 위해 포토리소그래피나 플라즈마 식각 등 고비용 반도체 공정 대신, 상대적으로 저비용, 대면적 공정이 가능한 초정밀 기계가공(Ultra-precision machining)과 선택적 화학 식각을 이용해 나노스케일 금속 다층막 표면 패턴을 형성하는 데 성공했다.

특히 절삭 깊이를 정밀하게 제어하여 단층(SLL) 및 이중층(DLL) 라멜라 구조 구현이 가능하며, 단층 구조는 각도에 따라 색이 변하는 무지개빛(Iridescent) 특성을, 이중 구조는 관찰 각도와 무관한 안정적인 청색(Angle-independent blue)을 나타내 하나의 소자 내에서 다양한 패턴을 부여할 수 있다고 제시했다. 

신소재공학과 황해인 석사연구원

또한, 관찰 방향에 따라 색이 보이거나 사라지는 방향 의존형 보안 패턴도 구현함으로써 위조 방지, 정품 인증, 고보안 디스플레이 등 광보안(Photonic security) 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

그리고, 저온 원자층증착(ALD) 공정을 통해 나노 라멜라 구조 위 알루미나(Al2O3) 인캡슐레이션을 실행하여 다습한 환경에서도 구조의 변형 없이 선명한 구조색을 유지시켜 구조체의 내습성·내산화 안정성을 향상시켰다.

김정환 교수는 “이번 연구는 복잡한 반도체 공정을 거치지 않고도나노 패턴기반의 구조색을 구현할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다”며, “정밀 기계가공을 활용한 친환경 구조색 기술은 대면적화와 비용 절감이 가능해 향후 위조방지, 정품인증, 차세대 광소자 등 다양한 산업 분야로의 응용이 기대된다”고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구는 한국기계연구원 유영은 책임연구원과의 공동연구로 진행됐으며, 지난 12일 국제학술지 ‘Small’에 온라인 게재됐다.