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Sep 01, 2023

KERI 표재연 박사팀, 회절격자의 나노스케일 3D 프린팅을 통한 구조색 인쇄 방법 개발, ACS Nano 표지논문 선정

국립과학기술연구회

이미지: 표재연 박사(오른쪽) 등 KERI 연구팀, 첨단 디스플레이용 회절격자 생산을 위한 나노스케일 3D 프린팅 기술 개발더보기

사진 제공: 한국전기연구원

카멜레온의 피부색이 변하거나 공작의 아름다운 깃털 색깔이 변하는 물리적 현상을 구현하는 투명 디스플레이와 AR 기기에 활용 가능한 3D 프린팅 기술이 세계 최초로 개발됐다.

KERI 표재연 박사팀이 '나노스케일 3D 프린팅 기술'을 기반으로 빛의 경로를 정밀하게 제어할 수 있는 3차원 회절격자를 구현하는데 성공했다. 자연에서 관찰되는 구조적 색의 원리를 첨단 디스플레이 기술에 활용할 수 있는 신기술입니다.

빛이 파장 수준(사람 머리카락 굵기의 1/100~1/1000)의 미세 구조와 만나면 회절*되어 경로가 변경됩니다. 미세구조가 규칙성을 갖는 경우, 빛의 특정 파장은 회절로 인해 강하게 반사되어 '구조색'으로 알려진 뚜렷한 색상을 갖게 됩니다. 예를 들어, 자연에서 카멜레온의 피부색은 여러 색소의 혼합으로 발생하지 않습니다. 오히려 미세 구조의 변화로 인해 구조적 색상이 생성됩니다. 마찬가지로, 공작 깃털에서 볼 수 있는 아름다운 색상은 내부 미세 구조의 특정 배열의 결과입니다.* 회절: 빛이 장애물을 만났을 때 구멍(틈)을 통해 넓게 휘거나 퍼지는 현상입니다.

KERI의 성과는 구조적 색상을 정밀하게 제어할 수 있는 '회절격자'를 나노스케일 3D 프린팅 기술로 구현한 것이다. 회절격자는 빛의 회절을 제어하기 위해 미세구조가 규칙적으로 배열된 장치이다. 빛을 비추면 파장에 따라 빛이 다른 경로로 반사되어 특정한 구조적 색상이나 스펙트럼이 생성됩니다. 즉, 염료를 사용하지 않고도 빛의 정밀한 제어가 가능해 생생한 컬러를 구현하는 3D 프린팅 기술이다.

사람 머리카락 굵기의 1/1000에 불과한 파장을 갖는 빛의 회절을 제어하려면 매우 미세한 회절 격자가 필요합니다. 세계 최고의 나노스케일 3D 프린팅 기술을 보유한 KERI가 '측면 프린팅'이라는 새로운 접근 방식으로 고밀도 나노선 회절격자를 프린팅하는데 성공했다.3D 프린팅 노즐을 재봉하듯 움직여 브릿지 모양(﹇).

시연된 회절 격자는 다양한 고급 디스플레이 응용 분야에 사용될 것으로 예상됩니다. 회절격자 자체의 투명성에 주목해 스마트 윈도우, 거울, 자동차 헤드업 디스플레이 등 다양한 미래 투명 디스플레이에 활용될 수 있다. 이미 회절 격자를 핵심 구성 요소로 활용하는 AR 장치에도 이 기술을 적용할 수 있는 곳이 많이 있습니다. 또한, 회절 격자는 변형에 따라 다양한 색상을 방출하도록 설계할 수 있어 변형 검출이 필요한 기계 공학 및 생체 의학 응용 분야에 기술이 활용될 수 있으며, 회절 격자 자체도 다양한 광학 물리학 연구에 활용될 수 있습니다.

KERI 표재연 박사는 “기재의 재질이나 형태에 제약을 받지 않고 원하는 구조 색상을 원하는 위치에 정확하게 구현하는 세계 최초의 3D 프린팅 기술”이라고 말했다. 그는 이 기술이 디스플레이 장치의 정형화된 '폼팩터(Form-Factor)' 한계를 극복하고 형태의 다양화를 가져올 수 있을 것이라고 덧붙였다.