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ETRI, 메타물질 원천소재 기술 개발'금-은 이종 소재’로 고온·화학 반응에도 안정성

다양한 ICT분야에 활용가능한 플렉서블 메타물질

제조공정 및 소재 바꾸어 전자기파 특성 조절가능

반도체 공정을 용액공정으로 변경, 대면적화·유연화

갈바닉 치환을 통한 금-은 이종 나노소재 메타물질 공정 모식도
금-은 이종 나노소재 메타물질 제조 공정 모식도 1) 나노임프린팅 2) 리간드 치환 공정 3) 갈바닉 치환 공정

국내 연구진이 투명망토, 3D 홀로그램 등에 활용될 수 있는 혁신적인 인공소재인‘메타물질’의 특성을 쉽게 조절하며 제작할 수 있는 핵심 원천소재 및 공정 기술을 개발하는데 성공했다. 메타 물질은 자연에서 발견되지 않은 특성을 지니도록 설계된 물질로서 주로 금속 등의 복합적인 구조 집합으로 구성되어 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 지난달 7월 6일, 미국화학회 나노분야 국제학술지인‘응용재료 인터페이스’ 온라인에‘특성 조절 플렉서블 메타물질 제작 기술’이 게재되었다고 밝혔다. 메타물질은 자연에 있는 물질과 달리 구조나 배열형태에 의해 특성이 바뀌는 인공소재다. 따라서 메타물질의 구조를 바꾸면 물질 특성까지도 마음대로 조절할 수 있어 ICT 기기에 적용시, 그 성능을 크게 향상시켜 폭넓은 적용이 가능하다.

대표적으로 메타물질은 소형화, 경량화, 박막(薄膜)화가 가능하다. 이로써 고해상도 홀로그램 제작, 고집적 광회로 제작, 고해상도 디스플레이 제작, 고효율의 태양전지, 고민감도의 적외선·광센서 제작 등에 널리 활용이 가능하고, 다양한 산업 및 군수 분야 등에서도 응용이 가능하다.

기존 메타물질은 일반적으로 금(Au)이나 은(Ag)을 통해 만들었다. 소재가 제한됨에 따라 특성을 다양화하기 위해서는 구조를 변경, 사용함에 따라 물질특성의 자유도 또한 한계가 있었다.

이에 연구진은 메타물질의 특성의 자유도를 높일 수 있는 기술을 개발했다. 즉 금, 은의 조성비를 달리하여 소재를 제작하면서 메타물질의 물성을 조절하는 기술을 만든 것이다.

연구진은 유리 기판 위에 200나노미터(nm)급의 은 나노입자로 이루어진 나노디스크 형태의 패턴을 제작한 후, 갈바닉 치환공정을 통해 입자 하나 하나를 금으로 쌓아 금과 은이 공존하는 메타소재로 이루어진 메타물질을 제작하는데 성공했다.

플렉서블한 기판 위에 금-은 이종나노소재 메타물질이 형성된 결과 사진

이때, 금, 은의 비율에 따라 물성을 조절하여 메타물질 흡수체를 제작할 수 있는 성능지수(Q factor)를 조건에 따라 0.7 ~ 0.2 까지 낮췄다. 이는 기존 니켈 소재보다 3배 이상 낮은 수치라고 연구진은 설명했다.

아울러, 연구진은 상용화가 가능하도록 메타물질 제조 공정과 소재도 획기적으로 바꾸었다. 그동안 메타물질은 주로 반도체를 만드는 공정과 같이 진공공정 기반 기술을 통해 제작해 왔다. 하지만 이 방식들은 제조에 시간이 많이 걸리고 넓은 면적의 유연 기판 등에 제작하기가 어려워 생산성이 떨어진다는 문제점이 있었다.

연구진은 용액공정 기반 기술을 대면적 나노 공정이 가능한 나노 임프린트 공정과 접목, 메타물질 제조에 있어 개선을 이뤘다. 즉 용액에 넣거나 빼고 용액을 뿌리면 메타물질 제작이 가능하도록 만든 것이다. 이 방식은 메타물질 공정시 온도를 낮추고, 대면적 유연한 기판 위에서도 제조가 쉽다는 장점이 있다. 이로써 향후 휠 수 있는, 플렉서블 소자에 메타물질 활용의 길도 열게 되었다.

특히, 이번 연구를 통해 제작한‘금-은 이종 나노소재 기반의 메타물질’은 기존 은 나노소재만 사용한 경우에 비해 안정성이 크게 향상되었다. 330℃ 이상의 온도와 1% 과산화수소 용액에서 2시간 이상에 노출되는 환경에서도 열적, 화학적 안정성을 보였다.

이 같은 특성을 지닌 메타물질은 그동안 단점으로 여겨져 왔던 열과 화학적 환경 등에 약하다는 점을 해소할 전망이다. 이에 따라 태양전지의 플렉서블 전자소자, 광대역 태양에너지 흡수체 등 다양한 산업에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

ETRI 연구진이 개발한 금-은 이종소재 메타물질에 대한 실험 후 결과를 확인하는 모습 (좌로부터 홍성훈 박사 또는 선임연구원, 김수정 박사과정생)
ETRI 연구진이 실험에 사용한 기판과 용액(잉크)을 보이고 있는 모습 (좌로부터 김수정 박사과정생, 홍성훈 박사 또는 선임연구원)

 

ETRI ICT소재연구그룹 홍성훈 박사는“이 기술로 제작 가능한 메타물질 및 활용 범위가 다양해졌다. 향후 해당 기술을 응용하여 보다 균일성을 높인 플렉서블 메타물질 제작 방법을 연구할 계획이다”고 말했다.

연구진은 이 기술을 조만간 기술이전하여 고해상도 반사형 디스플레이, 고효율 광전소자 등에 상용화를 목표하고 있다. 이 연구성과는 과학기술정보통신부“가시광파장용 나노결정기반 3차원 저손실 메타소재 개발”사업과“3D 포토 일렉트로닉스 원천기술 개발”사업으로 진행되었다. 게재논문의 제1저자는 고려대학교 김수정 박사과정 학생이고 교신저자는 ETRI 홍성훈 박사, 고려대 오승주 교수이며, 이헌 교수 연구그룹과 공동연구를 통해 이뤄졌다.

실험에 사용한 기판과 용액(잉크)

ETRI 홍보실 제공 

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