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2012. 10. 30. 16:01 대덕밸리과학소식/KAIST

무반사구조(antireflective structures)는 빛의 효율을 향상시키기 위한 대표적인 방법입니다.

그러나 이 구조는 평판에만 국한되기 때문에 LED 렌즈와 같은 곡면에 적용하기에는 많은 어려움이 있었습니다.

KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수팀은  3차원 미세몰딩 공정으로 이를 극복하고 스스로 빛을 내는 반딧불이를 모방한 생체모사(자연모사) 공학을 이용해 고효율 LED 원천기술을 개발했습니다.

일반 렌즈(좌)와 고효율 LED 렌즈(우) 사진. 연구팀은 3차원 미세몰딩 기술을 이용해 고효율 LED 렌즈를 제작.

(A) 고효율 LED 렌즈의 제작 과정. (step Ⅰ) 나노입자와 식각공정을 이용하여 나노구조 형성. (step Ⅱ) PDMS 막에 나노구조 전사. (step Ⅲ) PDMS 막에 음압을 가하여 곡률 형성. (step Ⅳ) 자외선 경화 고분자를 부은 후 경화. (step Ⅴ) 완성된 고효율 LED 렌즈. (B) 고효율 LED 렌즈의 전자현미경 사진. (C) 곡면 위에 잘 정렬되어 형성되어 있는 나노구조.

이는 반딧불이 발광기관 외피에 있는 생물 발광기관 나노구조를 세계 최초로 모사한 기술이라는 점에서 의의가 큽니다.

연구팀은 기존에 렌즈의 반사를 방지하기 위해 값비싼 반사방지 코팅을 추가로 처리하던 기술과 달리, 렌즈 제작 시 생체모사 나노구조를 주형에서 한 번에 만들어 보다 저렴하게 LED를 제작할 수 있게 했습니다.

또 무반사효과(antireflection)를 위해 모방한 나노구조를 최적화해서 발광효율을 기존 반사방지 코팅에 상응한 수준으로 만들었습니다

이는 앞으로 스마트폰, TV, 자동차, 의료기기, 실내외 조명 등에 널리 적용될 전망입니다.

(A) 반딧불이 사진. (B) 반디불이의 전자현미경 사진 (N)은 비발광기관, (L)은 발광기관. (C) 비발광기관의 미세패턴, 무작위한 패턴을 형성. (D) 발광기관의 나노구조, 잘 정렬된 나노구조를 형성. (E, F) 반딧불이의 발광기관과 고효율 LED 패키징이 대응되는 구조를 형성하고 있음. 본 연구팀은 반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 나노구조층을 LED 렌즈 위에 형성시켜 발광효율을 증가시킴. (E) 반딧불이 발광기관의 모식도. 나노구조의 크기는 약 주기가 250 nm, 너비가 150 nm, 높이가 110 nm 정도임. (F) 고효율 LED 패키징의 모식도.

연구팀은 실리콘 산화막 위에 나노입자를 단일 층으로 형성하고 식각공정을 통해 나노구조를 형성했습니다.

이어 나노구조를 PDMS(polydimethylsiloxane) 막에 전사시키고, 이 막에 음압을 가해 곡률을 형성한 다음, 자외선경화 고분자를 부어 굳혀 반딧불이와 유사한 구조의 렌즈를 만들어 내는 데 성공했습니다.

이번 기술은 세계 최초로 무반사구조가 형성된 반구형 고효율 LED 렌즈를 개발한 것으로, 이 렌즈는 기존에 사용되는 무반사코팅(antireflection coating)과 같은 효과를 보이고 있습니다.

앞으로 생체모사 기술을 활용한 고효율 LED 렌즈 기술을 통해 기존의 값비싼 무반사코팅을 대신해 저렴하면서도 효율을 극대화할 수 있을 전망입니다.

이번 연구는 정기훈 교수와 제1저자인 김재준 박사과정생이 주도했고, 연구 결과는 미국 국립과학원회보지(PNAS) 10월 29일자 온라인 판에 게재됐습니다.

 

정기훈 교수

김재준 박사과정생


posted by 글쓴이 과학이야기

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2012. 5. 1. 23:53 대덕밸리과학소식/KAIST

무지개나 공작새 날개깃의 영롱한 색은 투명한 물질들의 주기적인 구조에 의해 반사와 간섭을 거치면서 만들어지는 '구조색'입니다.

구조색은 매우 밝고, 보는 각도에 따라 색이 바뀌는 특징이 있습니다.

몰포나비(Morpho Rhetenor)

반면 몰포나비의 날개는 밝은 구조 색을 가지면서도 다양한 각도에서 똑같은 푸른 빛깔을 냅니다.

이는 질서와 무질서를 동시에 포함하는 몰포나비 날개의 독특한 구조 때문입니다.

몰포나비의 날개 구조는 1㎛ 수준에서 관찰하면 주기적인 질서를 갖고 있는 것처럼 보이지만, 100㎚ 수준에서 보면 주기성을 상쇄시킬 수 있는 무질서함을 구조 속에 포함하고 있습니다.

그동안 학계에서는 나노미터 수준에서 질서와 무질서를 동시에 포함하는 구조를 완벽히 재현하는 데에는 아무도 성공하지 못했습니다.

KAIST 물리학과 신중훈 교수팀은 몰포나비와 같이 무질서와 질서를 동시에 포함하는 구조를 유리구슬을 이용해 완벽하면서도 대면적으로 재현하는 데 성공했습니다.

신 교수팀은 이번 연구를 통해 다양한 크기를 갖는 수백  크기의 유리구슬을 임의로 배열해 무질서함을 구현했고, 배열된 유리구슬 위에 반도체 증착 방법을 통해 주기적인 박막을 쌓아 넓은 면적의 몰포나비의 구조를 만들었습니다.

몰포나비를 모방해 연구팀이 만든 박막. 플렉서블하면서도 크게 만들 수 있다.

몰포나비를 모방해 연구팀이 만든 박막. 다양한 색깔을 구현할 수 있다.

새롭게 개발된 박막은 몰포나비의 색과 밝기의 재현을 넘어 실제 몰포나비 보다도 각도에 따른 색의 변화가 훨씬 더 적은 우수한 성질을 지니고 있습니다.

연구진은 또 이 박막을 얇은 플라스틱 필름 안에 파묻음으로써 몰포나비보다 더 우수한 성질을 유지하면서도, 더욱 견고하고 종이처럼 접을 수 있는 신개념 재료를 세계 최초로 구현했습니다.

이번 연구 성과는 최근 각광받고 있는 생체모사 기술의 대표적 성공사례로, 구조색을 이용하는 반사형 디스플레이 뿐만 아니라 센서, 패션 등 매우 다양한 분야에서도 응용될 수 있을 것으로 전망됩니다.

실례로 외부 빛을 반사시켜 화면을 출력하는 반사형 디스플레이를 구현할 수 있는 원천기술로, 밝으면서도 전력소모가 매우 적은 디스플레이를 만드는데 활용될 수 있습니다.

기존 디스플레이에서는 대부분의 전력을 화면 출력에 필요한 빛을 만드는데 쓰는데, 반사형 디스플레이는 화면을 출력시키는 전력이 필요 없이 외부 빛을 이용하기 때문에 에너지효율을 크게 증가시킬 수 있다.

또 이 기술을 이용해 지폐의 부분 노출 은선을 만들어 위조나 복제가 어려운 화폐를 만들 수도 있습니다.

만원권의 부분노출 은선은 청회색 특수 필름 띠로, 여러 개의 태극무늬가 사방 연속으로 새겨져 있으며 은행권을 상하로 움직이면 태극무늬가 좌우로, 은행권을 좌우로 움직이면 태극무늬가 상하로 움직이는 것처럼 보이는데, 연구팀이 개발한 나노 구조를 이용해서 만들 수도 있다.

이 밖에 기존의 색소와 다르게 번쩍거리는 느낌을 주기 때문에 핸드폰이나 지갑 등의 코팅재로도 활용될 전망입니다.

이번 연구는 KAIST 신중훈 교수와 정경재 박사과정생(제1저자), 서울대 전자과 박남규 교수, 삼성 종기원 등이 공동으로 수행했습니다.

연구결과는 재료분야 최고 권위 저널 중 하나인 어스밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)지 온라인 판에 게재됐고 5월 8일자 내부 표지논문으로 게재될 예정입니다.

또 5월 3일자 네이처(Nature)지에 주목받는 연구(Research Highlights)로 소개되었습니다.
 

몰포나비 날개를 확대해서 전자현미경으로 찍은 사진(왼쪽)과 이를 모방해서 연구팀이 만든 구조(오른쪽). 선반모양의 기둥이 세로방향에서 나란히 배열되지 않고 임의적으로 배열돼 있다.

 

  

<연 구 개 요>

무지개, 공작새 등은 투명한 물질들로 구성돼 있지만 우리가 느끼는 색은 외부에서 들어오는 빛이 이들의 주기적인 구조에 의해 반사와 간섭을 거치면서 만들어지는 데 이를 '구조색'이라고 한다.

구조색은 보는 각도에 따라 색이 바뀌는 데, 남아메리카에 서식하는 몰포나비는 구조색임에도 불구하고 어떤 각도에서 보더라도 고유의 색을 유지한다.
이는 구조색의 물리적 원리에 모순되는 결과로, 몰포나비의 구조가 무질서와 질서를 동시에 포함하기 때문인 것으로 밝혀졌지만 이를 재현해내기가 쉽지 않았다.

공작의 깃털이나 비누 거품처럼 보는 각도에 따라 색이 변하는 일반적인 구조색의 특징과는 다르게 몰포나비는 보는 각도가 변함에도 일정한 구조색이다.
하지만 엄밀히 말하면 이는 색이 일정한 구조색이 아니라 색이 변화가 적어서 나타나는 현상이다.

주기성을 갖는 구조는 보는 각도, 즉 시야각에 따라서 간섭 조건이 달라질 수밖에 없으며 이는 구조색의 변화로 이어진다.
이를 줄이기 위해서는 구조가 임의적인 모습을 띠어야 하며 몰포나비에서 이를 확인할 수 있다.
이 연구는 몰포 나비의 이러한 임의적인 특징에 착안해 생체모사를 수행했다.

주기성은 질서를 의미하며, 임의적인 모습은 무질서를 나타낸다.
이렇게 질서 정연한 구조 속에 무질서를 넣으면 몰포나비처럼 시야각에 따른 구조색의 변화를 현저하게 줄일 수 있다.
또한 색의 변화가 현저하게 적으면 사람은 색이 거의 변하지 않는다고 느끼게 되며 마치 일정한 구조색처럼 보게 될 것이다.

이렇게 구현된 결과는 구조색 특유의 번쩍거리는 특징을 포함하고 있을 뿐 아니라, 페인트와 같은 일반 염료처럼 어느 시야각에서도 일정한 색을 나타낼 것이다.
그리고 나노 크기의 구조로 튼튼하게 만들어져 있어서 오랜 시간이 지나도 변색되거나 색이 희미해지지 않는다.
따라서 이는 자연으로부터 영감을 얻어 다양한 장점을 동시에 갖는 생체모사의 대표적인 예가 될 것이다.

반사형 디스플레이는 아마존에서 팔고 있는 '킨들'의 컬러 디스플레이 버전이라 생각하면 이해하기 쉽다.
기존 LCD와 비교한다면 번쩍거리는 느낌을 줄 뿐 아니라, 외부 빛을 반사시켜 화면을 보기 때문에 화면 출력에 별도의 전력이 필요없다.
구조색은 전적으로 반사와 간섭에 의해 생기는데 이산화 티타늄(자외선 차단제 및 각종 화장품, 흰색 도료로 많이 쓰임)와 유리로 만드는 박막의 종류에 따라서 원하는 색의 필름을 만들 수 있다.



 용  어  설  명

반사형 디스플레이 :
별도의 광원 없이 외부의 빛(외광)을 이용해 정보를 표시하는 디스플레이.

구조색 :
나노 구조에서 일어나는 반사와 간섭의 결과로 생긴 색. 염료나 발광체 등에 의해 나타나는 색이 아니다.

몰포나비 :
남부와 중부 아메리카에서 주로 서식하는 나비 종. 80여 가지가 있으며 주로 파란 계열의 색을 띤다.
색이 좋기 때문에 관상용 및 전시용으로 많이 쓰인다.

반도체 증착 :
반도체 증착은 나노미터 크기의 매우 얇은 박막을 만드는 과정이다.
크게 화학적 증착 방법과 물리적 증착 방법이 있다. 대표적 화학적 증착 방법은 가스를 흘리면서 반응을 일으켜 박막을 만든다.
물리적 증착 방법은 이미 만들어진 물질을 플라즈마 등을 이용하여 원자 단위로 떼어내어 박막으로 만든다.


 

<신중훈 교수>

1. 인적사항

○ 소  속 : KAIST 이과대학 나노과학기술대학원, 물리학과
 http://spl.kaist.ac.kr

2. 학    력
○ Harvard University 물리학과 학사 1989
○ Caltech 응용물리학과 박사 1994

3. 경력사항
○ 2008. 6.~현재 KAIST 나노과학기술대학원 책임교수
○ 1996. 9.~현재 KAIST 물리학과 교수
○ 1994. 1.~1995. 1. 네덜란드 FOM-Institute for Atomic and Molecular Physics 박사 후 연구원
○ 1989. 9.~1993.12 Caltech 연구조교

4. 주요연구실적
○ 2011 연구상, KAIST
○ 2009 공적상, KAIST
○ 2006 대통령 표창, MOST
○ 2005 SBS 문화재단 교수 해외연구 지원상, SBS Foundation
○ 2004 젊은과학자상, 한림원

5. 출판
○ 국외논문 90여편 게재
○ 저서 2권
○ 16개의 국내 특허, 8개의 해외 특허 보유

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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