3D프린팅 기술로 자연 아름다운 구조색 정밀 구현.
미국 화학회 학회지에 표지논문으로 게재.

한국전기연구원 연구팀이 3D 프린팅 정밀 기술로 빛의 경로를 제어해 공작새의 깃털색처럼 아름다운 구조색을 구현하는 기술을 개발했다.한국전기연구원(KERI)은 스마트 3D프린팅 연구팀 표재연 박사팀이 ‘나노 3D프린팅 기술’을 활용해 빛의 경로를 제어할 수 있는 3차원 회절격자 구현 기술개발에 성공했다고 7일 밝혔다.

카멜레온의 변화무쌍한 피부색이나 공작새의 아름다운 깃털 색과 같은 물리현상을 나노 3D프린팅으로 구현해 투명 디스플레이나 증강현실(AR) 장치 등에 활용할 수 있는 새로운 기술이다.

회절(Diffraction)은 빛이 장애물을 만나면 휘어져 돌아나가거나 구멍 또는 틈을 통과해 넓게 퍼져나가는 현상을 말한다.

빛은 파장 수준의 작은 미세구조(머리카락 두께의 100분의 1~1000분의 1)를 만나면 회절해 경로가 바뀐다. 미세 구조에 규칙성이 있다면 회절에 의해 특정 파장의 빛만 반사해 색상을 낼 수 있다. 이것이 ‘구조색’(structural color)이다. 자연에서 관찰되는 구조색 예로는 카멜레온의 피부색이 있다. 카멜레온 피부색은 여러 색소에 의한 것이 아니라 피부 미세구조를 변화시켜 구조색이 변화하는 것이다. 또 공작새 깃털도 내부 미세 구조의 특징적인 배열에 따라 아름다운 구조색이 나타나는 것이다.

한국전기연구원이 개발한 기술은 구조색을 정교하게 제어할 수 있는 ‘회절격자(diffraction grating)’를 나노 3D프린팅 기술로 구현한 것이다. 회절격자는 빛의 회절을 제어하기 위해 평행선 등의 미세 구조를 규칙적으로 배열시킨 장치다. 이 장치에 빛을 비추면 파장에 따라 빛이 다른 경로로 반사돼 구조색이나 스펙트럼이 발생된다. 3D프린팅 기술을 활용해 빛을 제어함으로써 염료를 사용하지 않고 자연의 아름다운 구조색을 정밀하게 구현하는 기술이다.

파장이 머리카락 두께의 1000분의 1 수준에 지나지 않는 빛의 회절을 제어하기 위해서는 아주 미세한 회절격자가 필요하다.

한국전기연구원은 세계최고 수준 나노 3D프린팅 기술을 바탕으로 ‘수평 인쇄(Lateral printing)’라는 새로운 방법으로 고밀도의 나노선 회절격자를 인쇄하는 데 성공했다고 설명했다. 3D프린팅 노즐을 바느질하듯이 움직여 다리 모양(﹇)의 회절격자로 여러 줄 인쇄하는 방식이다.한국전기연구원의 회절격자 기술은 자연에서 관찰되는 구조색 원리를 첨단 디스플레이 분야에 활용할 수 있는 신기술로 활용처가 많을 것으로 기대된다. 한국전기연구원은 스마트 창문이나 거울, 자동차 헤드업 디스플레이 등 미래형 투명 디스플레이 분야에 활용될 수 있을 것으로 내다봤다. 이미 회절격자를 활용하고 있는 증강현실(AR) 장치에도 다양하게 적용될 수 있다. 회절격자는 변형에 따라 다른 색상이 나타나도록 설계할 수 있어 변형 감지가 필요한 기계공학이나 생의학 분야에도 이용할 수 있다. 이밖에 다양한 광 물리 연구에도 활용할 수 있다.

표재연 박사는 “이번에 개발한 기술은 기판 소재나 형태의 제약 없이 원하는 위치에 원하는 구조색을 정확히 구현하는 세계최고 수준 3D프린팅 기술이다”며 “디스플레이 장치의 정형화된 ‘외형’(폼팩터) 한계를 극복하고 형태의 다변화를 가져올 수 있을 것”이라고 말했다.

한국전기연구원의 이 기술연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 재료과학 분야 SCI 학술지인 ‘ACS Nano’에 표지논문으로 게재됐다.

한국전기연구원은 원천기술 특허 출원을 완료한데 이어 앞으로 디스플레이 관련 기업에 기술이전을 할 계획이다.