POSTECH, 자유자재로 컬러 변화 조절하는 광소자 기술 개발

POSTECH(포항공과대학교) 전자전기공학과 최수석 교수·박사과정 남승민 씨 연구팀은 빛의 파장을 자유롭게 제어할 수 있는 스트레쳐블(stretchable) 광소자를 개발하는 데 성공했다. 

이번 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘라이트: 사이언스 앤 애플리케이션(Light: Science & Applications)’에 지난 22일 게재됐다.

구조색(structural color)은 물체의 미세한 나노 구조가 특정한 빛의 파장을 간섭함으로써 나타내는 색을 말한다. 

기존 디스플레이 기기나 이미지 센서처럼 빛의 3원색(RGB)을 혼합한 색 혼합 방식을 사용하지 않고, 빛의 고유한 파장의 순색을 이용하기 때문에 훨씬 더 선명하고, 많은 색을 표현할 수 있다. 

이처럼 빛과 나노 구조의 상호작용의 결과인 구조색 기술은 나노 · 광 응용 산업에서 유망한 기술로 떠오르고 있다.

염료나 발광체 등을 이용한 기존 색 혼합 기술이 특정한 색에 고정되는 수동적 색 표현에 그치는 데 반해, 빛의 파장에 해당하는 나노 구조의 제어를 통해서 빛의 순색을 자유롭게 조절하는 능동적 색 파장 조절(Tunable Color) 기술로 발전이 가속되고 있다. 

그러나 지금까지의 연구에서는 서로 다른 색으로 바꾸려고 할 때, 빨간색에서 파란색으로 색으로 바꿀 수는 있지만, 파란색보다 파장이 더 긴 빨간색으로 역방향으로의 색을 바꿀 수는 없었다. 

현재 기술로는 파장이 더 짧은 길이의 파장 방향으로만 조정이 가능하기 때문에 이상적인 자유 파장 방향으로의 다양한 색을 표현하기 어려운 것이다.

색 파장 조절 기술의 극대화된 활용을 위해서는 양방향의 자유로운 빛의 위치로 자유롭게 파장을 조절할 수 있는 새로운 광학 소자로의 기술적 도약이 필요하다.

최수석 교수 연구팀은 이러한 구조색 기술의 한계를 극복하기 위해 카이랄 액정 탄성체(chiral liquid crystal elastomers, 이하 CLCE)와 유전 탄성체 액추에이터(dielectric elastomer actuator)를 사용했다.

CLCE는 이리저리 늘일 수 있는 유연한 튜너블 나노 구조색 소재이며, 액추에이터는 전기적인 에너지를 받아 유전체의 유연 변형을 일으키는 소자다. 

이번 연구에서 연구팀은 두 기술을 조화해 늘이는 것뿐 아니라 수축도 가능하도록 액추에이터 구조를 최적화하고, 이를 CLCE와 결합해 짧은 파장에서 긴 파장으로 또한 긴 파장에서 짧은 파장으로 자유롭게 파장 위치를 조절할 수 있는 극대화된 능동형 스트레쳐블 색 파장 조절 기술을 개발했다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 CLCE 기반 광소자는 전기적인 자극을 이용해 가시광(파랑:450nm~빨강:650nm)을 포함하는 광범위한 영역에서 자유롭게 구조색을 조절하는 데 성공했다. 파장이 짧아지는 방향으로만 색 변환이 가능했던 기존과 달리 파장이 긴 방향으로도, 즉 양방향으로 파장을 조절할 수 있게 된 것이다.

이번 연구는 우수한 광소자 응용을 위한 기반 기술을 개발하고, 실험을 통해 이를 입증함으로써 실제 산업 현장 활용 가능성도 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다.

최수석 교수는 “이 기술은 디스플레이, 광학 센서, 광학적 위장, 생체 모방 센서, 스마트 웨어러블 기기 등 빛과 색 및 광범위의 전자파를 응용한 다양한 분야에 사용될 수 있다”며 “후속 연구를 통해 기술 응용 범위를 더 넓혀가겠다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원사업과 산업기술평가원의 디스플레이 혁신공정 개발 사업 지원으로 진행됐다.