‘물감 없는 색’ 구현했다…경북대, 차세대 구조색 광학 소자 개발

[아이뉴스24 이창재 기자] 색소나 물감을 쓰지 않고도 다양한 색을 구현할 수 있는 새로운 광학 소자 기술이 개발돼 차세대 디스플레이와 보안, 예술·디자인 분야로의 활용 가능성이 주목받고 있다.

경북대학교 전자공학부 도윤선 교수와 화학공학과 정수환 교수 연구팀은 색소나 물감을 사용하지 않고, 복잡한 리소그래피 공정 없이도 예술 작품 수준의 다채로운 색을 구현할 수 있는 새로운 구조색 기반 광학 소자 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

구조색은 나비의 날개나 공작새의 깃털처럼 색소 없이도 미세 구조가 빛과 상호작용하며 색을 만들어내는 방식으로, 시간이 지나도 색이 바래지 않고 내구성이 뛰어난 것이 특징이다. 그러나 기존 나노 구조색 기술은 반도체 공정에 사용되는 리소그래피 방식을 활용해야 해 공정이 복잡하고 비용이 높으며, 대면적 제작이 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 미세 패턴을 정밀하게 새기는 기존 방식 대신 ‘양극산화 알루미늄(AAO)’을 구조색 설계에 활용하는 새로운 접근법을 제안했다. AAO는 알루미늄 산화 과정에서 나노미터 크기의 기공이 규칙적으로 형성되는 소재로, 별도의 정밀 가공 없이도 나노 구조를 구현할 수 있다.

이 구조에서는 AAO 내부 기공의 크기와 간격에 따라 빛의 전달 특성이 달라져, 소자의 두께를 바꾸지 않아도 서로 다른 색을 구현할 수 있다. 하나의 동일한 구조 안에서 여러 색을 표현할 수 있다는 점에서 기존 구조색 기술과 차별성을 갖는다.

연구팀은 이 기술을 활용해 한 장의 패널 위에 다양한 색이 공존하는 이미지를 구현했 프랑스 화가 앙리 마티스의 작품을 모티브로 한 그림도 재현했다. 또 휘어지는 플라스틱 기판에서도 동일한 색 구현이 가능해 웨어러블 디스플레이나 곡면형 광학 소자로의 확장 가능성도 확인했다.

특히 양극산화 공정은 항공기 부품이나 대면적 알루미늄 표면 처리에 이미 활용되고 있는 산업 공정으로, 연구팀은 이를 구조색 기술에 적용함으로써 공정 호환성과 대면적 양산 가능성도 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 구조색 설계 개념이 양산성을 확보해 디스플레이와 보안·위조방지, 예술·디자인 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 경북대 전자공학부 조효종 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 산업통상부 산업기술알키미스트 프로젝트와 한국연구재단 STEAM 연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’ 지난해 12월 7일자 표지논문으로 게재됐다.