KAIST, 가시광 투과 조절 세계 최고 광학 필름 개발

KAIST(총장 신성철)는 신소재공학과 전석우 교수와 건설 및 환경공학과 홍정욱 교수, 신소재공학과 신종화 교수 공동연구팀이 세계 최고 수준 가시광 투과율 조절이 가능한 능동형 광학 필름을 개발하는데 성공했다고 14일 밝혔다.

이 필름은 기존 창호시스템을 교체하지 않고도 투과율을 큰 폭으로 자유롭게 조절, 에너지 절감형 스마트 창(윈도우) 등에 활용이 가능하다.

3차원 나노 복합체를 이용, 에너지의 효율적인 신축변형을 이뤘다. 전석우 교수와 홍정욱 교수가 교신 저자로, 조동휘 박사과정 학생과 신라대학교 심영석 교수가 공동 1저자로 참여했다.

연구 결과는 재료 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 4월 26일자 온라인판에 게재됐다. (논문명: High-Contrast Optical Modulation from Strain-Induced Nanogaps at Three-Dimensional Heterogeneous Interfaces)

연구진은 정렬된 3차원 나노 네트워크에 기반한 신축성 나노 복합체를 이용, 가시광 투과율을 최대 90%에서 16%까지 조절 가능한 넓은 면적의 광학 필름 제작에 필요한 원천 기술을 확보했다. 평균 74%로, 기존 2차원 필름의 평균 46%를 뛰어넘는 세계 최고 수준이라고 KAIST는 설명했다.

최근 제로 에너지 빌딩, 스마트 윈도우, 사생활 보호 등 에너지 저감 및 감성 혁신 응용 관심이 급증함에 따라, 능동형 광학 변조 기술이 주목 받고 있다. 기존 외부 자극 (전기/열/빛 등)을 이용한 능동형 광학 변조 기술은 느린 반응속도와 불필요한 색 변화를 동반하고 낮은 안정성 등의 이유로 선글라스, 쇼케이스, 광고 등 매우 제한적인 분야에 적용돼왔고, 이때문에 새로운 형태 광학 변조 기술 개발이 활발히 이뤄지고 있다.

에너지 효율적 신축 변형을 이용한 광학 변조 기술은 비교적 간단한 구동 원리와 낮은 에너지 소비로 투과율을 효율적으로 제어할 수 있는 장점을 지녀 그동안 학계 및 관련 업계에서 집중적인 관심을 받아왔다. 그러나 기존 연구에서 보고된 광 산란 제어를 유도하는 구조는 대부분 광학 밀도가 낮은 2차원 표면 구조에 기반하기 때문에 좁은 투과율 변화 범위를 갖고, 물 등 외부 매질과 인접할 때 광학 변조기능을 잃는 문제를 가지고 있다. 특히, 비 정렬 구조에 바탕을 두고 있어 광학 변조 특성이 균일하지 못해 넓은 면적으로 만들기도 힘들다.

연구팀은 정렬된 3차원 나노구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝 (PnP, Proximity-field nanopatterning) 기술과 산화물 증착(증기를 표면에 얇은 막으로 입힘)을 정교하게 제어할 수 있는 원자층 증착법 (ALD, Atomic layer deposition)을 이용했다. 이를 통해 주기적 3차원 나노쉘 (nanoshell) 구조의 알루미나 (alumina)가 탄성중합체에 삽입된 신축성 3차원 나노복합체 필름을 현존하는 광학 변조 필름 중 가장 큰 면적인 3인치×3인치 크기로 제작하는 데 성공했다.

정렬된 3차원 나노 네트워크 인장(당겨 늘림)시 산화물 및 탄성중합체 계면의 공극(작은 구멍) 형성 메커니즘 이미지.

광학 필름을 약 60% 범위에서 당겨 늘리는 경우, 산화물과 탄성중합체 경계면에서 발생하는 수없이 많고 작은 구멍에서 빛 산란 현상이 발생하는데 연구진은 이를 이용해 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절 범위인 약 74%를 달성했다.

동시에 1만회에 걸친 반복적인 구동 시험과 굽힘과 뒤틀림 등 거친 변형, 70℃ 이내 고온 환경에서 구동, 물속 구동 특성 등을 확인한 결과 높은 내구성과 안정성을 확인했고, 이와 함께 재료역학적 및 광학적 이론 해석을 바탕으로 경계면에서 발생하는 광 산란 현상 메커니즘도 규명하는 데 성공했다고 KAIST는 밝혔다.