경북대 연구팀, 색소 필요 없는 나노 컬러 소자 개발… 차세대 광학 기술로 주목

경북대 전자공학부 도윤선 교수와 화학공학과 정수환 교수팀
'양극산화 알루미늄' 활용 통해 별도 정밀 가공 없이 나노 구조 구축 가능
국제학술지 머티리얼즈 호라이즌스 표지논문으로 게재되기도

(왼쪽부터)경북대 정수환 화학공학과 교수, 조효종 전자공학부 박사과정생, 도윤선 전자공학부 교수. 경북대 제공

경북대학교에서 물감 같은 색소 성분을 이용하지 않고 복잡한 미세 가공 공정 없이 다양한 색을 구현할 수 있는 광학 소자 기술이 개발돼 화제가 되고 있다.

경북대 전자공학부 도윤선 교수와 화학공학과 정수환 교수팀은 색소나 물감을 사용하지 않고, 복잡한 리소그래피 과정을 생략하고도 예술 작품 수준의 다채로운 색상을 구현할 수 있는 새로운 광학 소자 기술을 개발했다.

'구조색'은 나비 날개나 공작새 깃털처럼 물감 없이도 미세한 구조가 빛과 상호작용하며 색을 만들어내는 방식으로, 색이 바래지 않고 내구성이 뛰어나다는 장점이 있다.

기존 나노 구조색 기술은 색을 구현하기 위해 반도체 공정에 쓰이는 리소그래피 방식을 사용했다. 머리카락보다 훨씬 작은 미세 무늬를 정밀하게 새겨야 해 공정이 복잡하고 비용이 높으며, 대면적 제작이 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 미세 패턴을 새기는 방식 대신, '양극산화 알루미늄(AAO)'을 나노 구조색 설계에 활용하는 방법을 제안했다.

AAO는 알루미늄이 산화하는 과정에서 아주 작은 구멍(기공)이 규칙적으로 형성되는 소재로, 별도의 정밀 가공 없이도 나노 구조를 만들 수 있다. 이 구조에서는 AAO 내부 기공의 크기와 간격에 따라 빛이 지나가는 성질이 달라져, 소자 두께를 바꾸지 않아도 각기 다른 색이 나타난다. 이 방식은 복잡한 리소그래피 공정을 사용하지 않고도 하나의 동일한 구조 안에서 여러 색을 구현할 수 있다는 측면에서 기존 구조색 기술과 차별된다.

연구팀은 이 기술을 활용해 한 장의 패널 위에 여러 색이 공존하는 이미지를 구현했으며, 프랑스 화가 앙리 마티스의 작품을 모티브로 한 그림도 재현했다. 휘어지는 플라스틱 기판에서도 같은 색 구현이 가능해, 웨어러블 디스플레이나 곡면형 광학 소자로의 확장 가능성도 확인됐다.

양극산화 공정은 항공기 부품이나 대면적 알루미늄 표면 처리에 이미 사용되는 산업 공정이다. 연구팀은 이러한 기존 공정을 구조색 구현에 적용해 공정 호환성과 대면적 확장성도 높다고 설명했다.

도윤선 교수는 "기존 나노 컬러 기술의 가장 큰 장벽이었던 복잡한 미세 가공 공정을 AAO 기공 구조 제어라는 새로운 설계 방식으로 대체했다는 점에서 의미가 크다"며 "색을 두께가 아니라 빛의 성질로 제어하는 새로운 구조색 설계 개념이 양산성을 확보하며 디스플레이와 보안·위조방지, 예술·디자인 분야로 확장될 수 있을 것"이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 경북대 전자공학부 조효종 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 산업통상부의 산업기술알키미스트프로젝트와 한국연구재단의 STEAM연구사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)의 표지논문으로 지난해 12월 7일자에 게재됐다.