[과학을 읽다]햇빛 아래에서도 선명하게 화면 본다

카이스트 연구팀, 무지개 미세입자 제조기술 개발해

▲외부 자기장에 따른 입자 배형 변화의 모식도(상단), 배향 각도에 따른 색변화.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 모든 색을 낼 수 있는 무지개 미세입자 제조기술이 개발됐습니다. 반사색의 자유로운 조절이 가능한 무지개 미세입자는 햇빛 아래에서도 선명한 디스플레이 표시가 가능해 차세대 반사형 디스플레이의 핵심 소재로 사용될 수 있습니다.

KAIST(총장 강성모) 생명화학공학과 김신현 교수와 나노과학기술대학원 故 신중훈 교수, 충남대학교 신소재공학과 정종율 교수 공동 연구팀이 모든 색을 낼 수 있는 무지개 미세입자 기술을 내놓았습니다.

오팔(opal), 모포(Morpho) 나비, 공작새의 깃털 등은 모두 색소 없이도 규칙적 나노구조를 이용해 아름다운 색깔을 구현한다는 공통점이 있습니다. 규칙적 나노구조는 빛의 간섭 현상을 통해 특정 파장의 빛만을 선택적으로 반사해 색소 없이도 색을 낼 수 있습니다. 규칙적 나노 구조를 통해 빛을 선택적으로 반사하는 물질을 광결정이라고 부릅니다.

일반적으로 광결정은 한 색깔만 발현할 수 있기 때문에 다양한 색의 구현이 필수적으로 요구되는 반사형 디스플레이에 적용하기엔 무리입니다. 연구팀은 광결정의 한계를 해결하기 위해 겨울철 눈이 동그란 구형 구조물에 쌓일 때 위치에 따라 눈의 두께가 달라지는 점에 주목했습니다. 이를 통해 하나의 광결정에 가시광선 전 영역의 반사색을 구현하는 데 성공했습니다.

구의 표면에 물질을 증착하면 위쪽인 정상 부분의 물질이 가장 두껍게 쌓이고 측면으로 갈수록 물질이 얇아집니다. 연구팀은 규칙적 구조를 형성하기 위해 두 가지 서로 다른 굴절률을 갖는 물질인 타이타니아(titania)와 실리카(silica)를 교대로 구형 미세입자에 붙였습니다. 이렇게 형성된 규칙적 적층 구조는 정상 부분에서 굴절률 변화 주기가 가장 크고 측면으로 갈수록 작아지는 것을 확인했습니다.

미세 입자는 정상 부분에서 장파장의 빨간 빛을 반사하고 측면부에서는 단파장의 파란 빛을 반사할 수 있습니다. 또한 빨간색과 파란색 사이의 다른 모든 색깔도 구의 위치에 따라 상응하는 지점에서 반사할 수 있는 무지개 미세입자를 제작하는 데 성공했습니다.

제작된 여러 색깔 중 미세입자가 특정 색깔을 발현하도록 유도하고 제어하기 위한 방법으로 연구팀은 자성을 이용했습니다. 무지개 미세입자 표면에 자성을 띄는 철을 증착해 자석처럼 미세입자의 배향 방향을 자유롭게 제어할 수 있었고 이에 따라 이용자가 보는 색깔도 자유롭게 제어됐습니다.

김신현 교수는 "철 자성층은 강자성을 띄어 외부 자기장의 방향에 맞게 배향하기 때문에 광결정 미세입자의 배향을 외부자기장을 이용해 조절 가능하며 하나의 광결정 미세입자가 모든 반사색을 구현할 수 있다"며 "이번 연구 결과를 지나내 9월30일 불의의 사고로 고인이 된 나노광학 분야의 세계적 대가 故 신중훈 교수에게 헌정한다"고 말했습니다.