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  • 기사등록 2020-03-24 12:00:02
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[기계신문] 자율주행자동차 시대가 다가오면서 근적외선를 이용한 광학기기, 소재에 대한 수요와 관심도 같이 늘어나고 있다. 근적외선은 가시광선과 달리, 상대적으로 날씨가 안 좋거나 어두운 환경에서도 신호로 작용할 수 있으며, 3차원 이미징 등을 가능하게 해주기 때문에 라이다(lidar) 등에도 쓰인다.


근적외선은 또한 몸속 일부 깊이까지 도달할 수 있기 때문에 생체 이미징 수단으로도 사용될 수 있으며, 특정 분자와 공명할 수 있기 때문에, 센서로 사용될 수 있다. 그러나 근적외선을 직접 눈으로 볼 수는 없기 때문에 근적외선 신호를 시각화하는 전략에 대한 관심이 높다.


최근 한국과학기술연구원 (KIST) 나노포토닉스연구센터 권석준 박사팀이 경희대 응용화학과 고두현 교수와의 공동 연구를 통해, 근적외선을 가시광선으로 파장변환하여 시각화할 수 있는 다기능성 광필름을 개발했다.


양자점(퀀텀닷) 같은 반도체 나노재료는 자외선을 받아 가시광선으로 파장을 변환한다. 자외선이 가시광선보다 파장이 짧기 때문에 광자의 1:1 교환이 가능하며, 에너지 효율 관점에서 양자점의 파장변환은 비교적 고효율을 갖는다.


반면, 근적외선를 받아 가시광선으로 파장을 변환하는 경우는 근적외선이 가시광선보다 파장이 길기 때문에 근적외선 광자가 2개 이상 필요하고, 이로 인해 근적외선-가시광선 파장변환은 매우 낮은 효율을 갖는다. 이는 근적외선-가시광 파장변환이 보다 광범위한 응용처를 찾는데 근본적인 한계로 작용해 왔다.


이를 극복하기 위해 금속-유전체로 이루어진 정밀한 나노 구조 플라즈모닉 필름을 만드는 방법이 제시되어 왔지만, 만들어진 구조체는 다른 기판으로 전사되거나, 투명성·유연성 등의 추가 기능을 확보하기 어려워 실제 제품으로 연결되기가 매우 어려웠다.


연구팀은 근적외선-가시광선 파장변환의 근본적인 저효율성을 개선하는 동시에, 실생활로의 응용성을 확대·개선하기 위해 독특한 구조의 나노 구조체를 설계했다. 이를 위해 수 마이크로미터 크기의 산화실리콘(실리카)를 기재로 사용하였다.



▲ 입을 수 있고 접을 수 있으며 세탁도 가능한 초고효율 파장변환 투명 광필름 모식도



실리카 표면 위에 파장변환 나노물질과 유전체 박막, 그리고 금속 나노입자를 적절하게 배열한 먼치킨 도넛처럼 생긴 구조를 설계하고, 이를 격자 형태로 배열하였다. 연구팀은 이 구조가 두 가지 면에서 우수한 성능을 보이는 것을 확인하였다.


먼저 근적외선이 구조체에 흡수되는 정도가 크게 늘어났으며, 또한 발광되는 가시광선도 실리카 구체의 속삭임 회랑 모드(whispering gallery mode) 공명에 의해 훨씬 더 강하게 발산될 수 있음을 실험적으로 확인했다. 이는 이론적으로 예측한 값과 거의 일치했으며, 최종적으로 파장변환 효율은 거의 1,000배에 육박하였다.


연구팀은 이렇게 형성된 초고효율 실리카 마이크로 기반 파장변환 격자 배열체의 장점을 한 단계 더 이용하였다. 구는 박막에 비해 접촉면적을 극소화할 수 있다는 장점이 있다.


이를 이용하여 연구팀은 실리카 마이크로 구 격자 배열 전체를 접촉 전사 방법을 이용하여 원하는 기판에 대량으로 거의 완벽하게 전사할 수 있는 공정을 개발했으며, 이를 이용하여 투명하면서 접거나 휘거나 돌돌 말 수 있는 기판에 파장변환 나노구조체 격자를 전사하는데 성공했다.


전사된 파장변환 구조체는 전사되기 전후로 발광 세기가 거의 변하지 않았으며, 특히 세제를 이용한 세탁 후에도 그 변화가 관측되지 않았다.


KIST 권석준 박사는 “현재 적외선을 활용한 센서는 한 종류의 데이터만 수집할 수 있는 수준인데, 이 기술을 활용하면 다양한 종류의 데이터를  한 번에 수집, 이미지화할 수 있다”며 “향후 다양한 파장대역의 흡발광을 제어하여 가시광 전 영역에서의 발광을 구현할 수 있는 전시야성 파장변환 광필름을 개발할 수 있을 것으로 전망된다”고 밝혔다.


연구팀이 개발한 입을 수 있고 접을 수 있으며 세탁도 가능한 초고효율 파장변환 투명 광필름은 향후 최근 각광을 받고 있는 접을 수 있는(폴더블) 전자 기기, 입을 수 있는(웨어러블) 센서나 디스플레이, 유연성을 이용하여 부피를 최소화할 수 있는 생체 삽입형 파장변환 이미징 장치 등 다양한 분야로 응용이 확장될 수 있을 것으로 기대된다.


이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업, 영펠로우사업, 한국연구재단 미래유망융합기술 파이오니어사업 및 산업통상자원부 에너지기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 최신호에 게재됐다.


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이은아 기자 lena@mtnews.net

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