연구성과

기계 임근배 교수팀, 자연의 아름답고 화려한 구조색을 손쉽게 만들어 낸다!

2017-06-01594

[저비용 용액공정으로 쉽게 구조색을 제작할 수 있는 기술 개발]

우리가 주위에서 접할 수 있는 나비의 아름다운 날개, 주위 환경에 따라 피부색을 바꾸는 카멜레온, 보는 방향에 따라 찬란하게 다른 빛을 발하는 보석, 곤충들의 화려한 색깔 등 자연이 주는 색은 단순히 색소에 의해 정해지지 않는다. 이는 나노미터(nm, 10억분의 1m)라는 아주 작은 단위의 입자와 박막에 의한 구조색*1으로 일반적인 잉크로는 절대 표현해 낼 수 없다.

기계공학과 임근배 교수와 석·박사통합과정 김건휘씨는 안동대학교 안태창 교수와의 공동연구를 통해 세계 최초로 나노 구조의 크기와 간격에 의해 구조색이 결정되는 발색 원리를 이용하여 대량생산과 대면적화가 가능한 구조색 제작 방법을 개발하였다.

기존에도 구조색을 제작하는 방법은 다양하게 연구되어 왔지만, 구조색이 나노 구조의 배열 및 형상에 의해 결정되기 때문에 한번 만들면 수정하기 어렵고, 한 개의 기판에 여러 색을 합성하기 힘들다는 단점이 있다.

공동연구팀이 개발한 구조색 제작 방법은 산화아연(ZnO)*2 나노구조를 용액공정*3 만으로 제작하는 것으로, 미온의 물에서 산화아연을 시간에 따라 합성, 구현되는 색을 조절하는 원리다. 공정이 끝난 뒤에도 합성이 가능하기 때문에 나노구조의 크기를 쉽게 조절할 수 있으며, 또 미온의 물에서도 제작할 수 있어 매우 낮은 비용으로도 다양한 구조색을 쉽게 구현할 수 있다.

뿐만 아니라 이번 기술은 기존의 반도체 제작 공정 중 미세 가공 기술인 리소그래피(lithography) 공정과 호환할 수 있어, 추후 바이오칩과 같은 센서(Sensor)로의 응용도 가능할 것으로 기대된다.

이러한 성과를 인정받아 이번 공동연구는 나노 및 에너지소재분야 세계적 과학저널인 에이씨에스 어플라이드 머터리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces, IF 7.145, 상위 10% 이내)에 게재되었다.

이 연구를 주도한 임근배 교수와 안태창 교수는 “구조색을 저비용으로 쉽게 제작할 수 있어 디스플레이 및 소형 가전의 친환경 도장, 위조방지 태그 제작 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것이며, 기존 구조색 제작 방법의 한계로 꼽히던 이슈들을 극복했다”고 이 연구의 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 시행하는 중견연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다.


1. 구조색 (Structural Color)
자연을 이루는 대부분의 색깔은 물질 고유의 색에 의해 정해지지만, 색체에 의존하지 않고 빛의 회절이나 간접과 같이 순전히 물리적인 원리 또는 구조에 의해 나타나는 색을 말한다. 예를 들어 공작의 날개의 색은 빛의 간섭에 의한 구조색이다.

2. 산화아연 (ZnO)
일반적으로 백색안료, 촉매, 사진재료, 형광체, 아연화 연고와 같은 의약품, 화장품 등으로 사용되는 물질로 우리 생활에 잘 알려져 있다. 특히 무해하고 280~400nm 파장대의 자외선을 흡수하기 때문에 금속과 고무의 보호코팅, 피부보호크림 등으로 상업 또는 산업적으로 많이 활용되고 있다.
특히, 나노기술의 비약적인 발달로 바이오감지, 광전자 분야 등 여러 분야에 응용되어 활발하게 연구가 진행되고 있다.

3. 용액공정
사용재료를 유기용매 등을 이용해 액체화해 스핀코팅, 잉크젯 프린팅 등과 같은 방법으로 기판위에 증착하는 방식이다. 기존 진공증착 방식에 비해 설비 투자비용이 낮고, 소규모 장비로 더 빠른 공정이 가능하다.