연구성과

전자 최수석 교수팀, 자유자재로 컬러 변화 조절하는 광소자 기술 개발

2024-05-30 177

[최수석 교수팀, 전 방향 색 파장 위치를 제어하는 스트레쳐블 능동 색파장 조절 소자 개발]

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.

특히, 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. 따라서, 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*1 액정*2 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 조화하여 늘이는 것뿐 아니라 수축도 가능하도록 액추에이터 구조를 최적화하고, 이를 CLCE와 결합해 짧은 파장에서 긴 파장으로, 또, 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.

특히, 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”라며, “후속 연구를 통해 기술 응용 범위를 더 넓혀가겠다”라는 말을 전했다.

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

DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01470-w


1. 카이랄
오른손과 왼손처럼 서로 겹치지 않는 상태, 즉 분자의 비대칭성을 의미한다.

2. 액정
고체와 유체 사이의 상태를 의미한다.