레이저로 고해상도 가변형 색상 구현-염료 없이 레이저로 기판 표면의 산화철 높이 조절해 빛의 간섭 제어

레이저로 고해상도 가변형 색상 구현-염료 없이 레이저로 기판 표면의 산화철 높이 조절해 빛의 간섭 제어

 

등록일 2020.11.02.

 

 

레이저를 이용한 고해상도, 가변형 색상 구현
염료 없이 레이저로 기판 표면의 산화철 높이 조절해 빛의 간섭 제어
표면 흡수율 차이를 이용한 맞춤형 광전자 장치 제작 기반 마련

□ 레이저를 이용해 금속기판에 산화철을 80nm 높이에서 200nm 높이까지 자유자재로 성장, 다양한 구조색을 표현하는 기술이 개발됐다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 홍석준 교수(한양대학교) 연구팀 등 국내 연구진이 레이저를 이용한 산화철 박막의 선택적 성장을 통해 금속 기판 상에 다양한 구조색을 구현했다고 밝혔다.

□ 물체가 지닌 고유색이 아니라 물체의 기하학적 구조에 따른 빛의 회절이나 간섭 등으로 나타나는 구조색은 다양한 색의 염료 없이 구조만으로 다채로운 색을 구현할 수 있어 특히 광전자 분야에서 연구가 활발하다.
○ 표면의 미세한 홈을 만난 빛이 각기 다른 각도로 꺾여 여러 파장의 빛으로 분산되면서 나타나는 CD 뒷면의 무지개색이 구조색의 대표적 예이다.
※ 구조색(Structure coloration) : 기하학적 구조에 따른 빛의 간섭과 회절 등을 통해 나타나는 색, 대표적인 예로 공작의 날개깃털이 있다.

□ 기존에는 진공에서 물질 표면에 빔이나 가스를 조사하여 증착, 기하학적 미세구조를 형성하거나 미세구조 표면 높이를 조절하는 방식으로 구조색을 구현하려는 시도가 있었다.
○ 하지만 진공에서 진행되는 증착공정은 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있었다.

□ 연구팀은 용액(염화철, 질산나트륨 등) 속에 든 백금기판에 연속파 레이저를 조사, 기판 표면에 산화철을 성장시켰다.
○ 레이저의 에너지, 노출시간 등을 조절하여 산화철 높이를 달리 성장시켜, 산화철에 닿는 빛의 간섭현상으로 다양한 색을 구현 하는 데 성공했다.
○ 나아가 형성된 산화철 박막을 제거하거나 산화철의 결정상 변화를 통해 이미 구현된 색을 수정할 수 있도록 했다. 프로그래밍 하듯 광전자 장치를 조율할 수 있는 가능성을 보여준 것이다.

□ 표면에 보이는 구조색은 빛의 흡수 및 반사와 관련되기에 광전소자 효율 향상에 이용될 수 있다. 기존 증착공정 기반 광전자 장치에서의 색상구현을 보다 간소화할 수 있는 실마리를 제시했다는 설명이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 신진연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 9월 28일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 한양대학교 홍석준 교수>

논문명
Digital laser micropainting for optoelectronic applications
저널명
Advanced Functional Materials
키워드
Laser (레이저), Thin-film interference (박막 간섭), Hydrothermal growth (열수 성장), Reprogrammable optoelectronics (재프로그램 가능한 광전자 장치) Structure coloration (구조색)
DOI
10.1002/adfm.202006854
저 자
홍석준 교수(교신저자/한양대학교), 고승환 교수(교신저자/서울대학교), 이영근 석사(제1저자/한양대학교), 권진형 박사(제1저자/한국생산기술원)

1. 연구의 필요성
○ 다양한 색상의 표현은 단순한 장식 뿐만 아니라 광전자 장치의 효율에 관련된 중요한 기술이다. 색소를 통한 색의 구현은 다양한 염료가 필요하다는 단점이 있다. 반면, 구조색의 경우에는 표면의 미세구조 또는 높이를 조절함으로써 다양한 색을 표현할 수 있다.
※ 구조색(Structure coloration): 기하학적 구조에 따른 빛의 간섭과 회절 등을 통해 나타나는 색을 뜻하며, 대표적인 구조색의 예시로 공작의 날개깃털이 있다.
○ 제작의 용이성과 다양한 기기로의 발전가능성으로 인해 박막형태로 금속, 금속산화물, 유기화합물 등을 적층하여 구조색을 표현하는 기술이 많이 연구되고 있다.
○ 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD) 등 증착방법을 이용하여 표면에 박막을 생성하여 구조색을 표현하는 연구가 보고되었다. 다만 복잡한 일련의 공정이 요구되고, 다양한 시행착오가 발생할 수 있다.
※ 물리기상증착법(PVD) : 진공 중에서 전자빔, 플라즈마 등을 표적물질에 조사하여 표적 물질의 원자를 방출시켜 기판에 증착시키는 방법.
※ 화학기상증착법(CVD) : 진공 중에서 박막의 재료가 될 수 있는 가스를 기판에 물질에 공급하고, 열분해, 광분해, 산화환원반응 등과 같은 다양한 화학반응을 통해 표적 물질을 기판에 증착시키는 방법.
○ 공정을 간소화하기 위해 금속기판에 펄스파 레이저를 이용하여 선택 적인 표면 산화막 생성으로 구조색을 표현하는 연구가 보고되었지만 이 경우 레이저로 인한 기판의 표면손상이 많이 발견되었다.
○ 이러한 고가의 복잡한 공정과 달리 레이저 유도 열수성장을 이용하여 다양한 구조색을 손쉽게 구현하고자 하였다. 복잡한 패턴과 다양한 색상을 단일 공정으로 제작할 수 있으며, 레이저를 이용하지만 표면에 손상을 주지 않는 공정을 개발하였다. 나아가, 이미 제작된 구조색을 변화시키는 공정을 개발하여 파장에 따라 변경 가능한 프로그래밍 회로의 가능성을 제시하였다.

2. 연구내용
○ 백금으로 코팅된 기판을 염화철과 질산나트륨이 용해된 용액에 넣고, 연속파 레이저를 조사하였다. 이를 통해서 기판의 표면에 산화철을 선택적으로 성장시킬 수 있었으며, 이러한 공정을 ‘레이저 유도 열수성장’이라고 한다.
○ 기판 표면에서 표현되는 여러 색상은 공정에 의해 생성된 다양한 높이의 산화철과 백금 기판에서 발생하는 빛의 간섭 현상에 의해 발생하게 된다. 산화철의 높이는 표면에 조사되는 레이저의 에너지와 관련이 있기에 구조물의 높이는 광원의 노출시간 또는 스캐닝 속도로 조절된다.
○ 이 논문에서는 단순한 한 번의 색상 표현 뿐만 아니라 추가적인 공정을 통해서 이미 표현된 구조색을 추가적으로 다양하게 조절하는 방법을 제시하였다. 기존 용액에서 이미 생성된 산화철 구조를 동일한 용액 상에서 레이저 재조사를 통해 추가적인 박막 높이의 증가를 유도하여 색상을 조절하였다. 다른 방식으로는 산화철 박막을 에틸렌글리콜 (Ethylene glycol) 용액 내에서 레이저를 조사시켜 산화철의 선택적 열분해를 통해 높이 감소를 통해 색상을 구현하였다.
○ 다른 방법으로 물리적인 높이의 변화가 아닌 방식으로, 산화철 구조물 에 선택적 열처리를 시도하여 결정상 변화로 인한 물질의 광학 특성 변화를 통해 색을 수정하였다.
○ 구조색과 광원간의 흡수율, 반사율의 차이를 응용한 장치를 제작 하였다. 일반적인 금속의 경우 온도에 따라서 저항이 비례적으로 바뀌게 된다. 이를 이용하여, 백금 회로의 표면에서 색상을 입히고 다양한 파장의 광원을 조사하여, 구조색의 에너지 흡수율 차이에 따른 저항 차이를 확인하였다.
○ 붉은색과 파란색을 입힌 볼로미터 시스템에 450nm(파랑색 광원), 650 nm(붉은색 광원)을 조사하여 표면의 색상에 따라 발생하는 저항의 차이를 확인하였다. 또한 기존의 표면 색상을 없애고 반대로 색상을 만들어, 동일한 광원에서 기존 저항 값과 반대되는 값을 얻었다. 이를 통해 표면 색상을 조절하여 광원에 따라 재 프로그래밍이 가능한 시스템을 구현하였다.
※ 볼로미터 : 전자기파에 의한 온도의 변화로 인한 회로의 전기저항의 변화를 이용, 온도 또는 전자기파의 출력을 측정하는 장치이다.

3. 연구성과/기대효과
○ 레이저 열수유도 성장을 이용한 선택적인 패터닝과 다양한 색상의 손 쉬운 표현 공정을 확립했다. 이러한 간편한 공정을 다양한 물질로 확장시킬 수 있다면 일련의 포토리소그래피에서 발생하는 연구개발 단계에서의 비용 절감에 도움이 될 것으로 기대된다.
○ 표면에 구조색에 따라 450nm(파랑색 빛)과 650nm(붉은색 빛)이 조사 되었을 때 각각 다른 반응을 보이고, 색상을 지우고 다시 다르게 입히는 과정을 통해서 파장에 따라 프로그래밍을 할 수 있는 볼로미터를 개발하였다. 더 나아가서는 이를 활용하여 광원에 따라 재 프로그램 가능한 장치로의 응용 가능성을 보여주었다.

그림 설명

<작성 : 한양대학교 홍석준 교수>

 

 

(그림1) 레이저 유도 열수성장을 통한 실시간 색상구현
공정의 개념도. 백금으로 코팅된 기판을 산화철 전구체 용액 상에 두고, 레이저를 조사하여 표면에 산화철을 성장시키는 모습을 보여준다. 아래에서는 다양한 레이저 스캐닝 파라미터에 따라 관찰되는 가시광선 영역대의 색상을 실시간으로 보여주고 있다.
제공 : 한양대학교 기계설계공학과, 이영근 연구원

 

 

(그림2) 레이저 유도 열수성장으로 제작된 다양한 색상 팔레트와 그림들
레이저 열수 유도 성장을 활용하여 제작한 다양한 구조색을 제시하였다. 오른쪽 샘플은 실린더형 렌즈를 달아서 넓은 영역에서의 박막 형성 및 색상구현을 시도 하였다. 이를 통해 레이저 공정의 단점 중 하나인 대면적 공정이 어렵다는 한계를 극복하였다. 그리고 위쪽의 샘플은 이러한 일련의 공정을 활용하여 제작한 ‘진주 귀걸이를 한 소녀’그림이다.
제공 : 한양대학교 기계설계공학과, 이영근 연구원

 

연구 이야기

<작성 : 한양대학교 이영근 연구원>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

박막의 경우 많은 산업분야에서 사용되지만 일련의 복잡한 제조과정을 거치게 됩니다. 이러한 제조공정을 거치지 않는 박막의 증착에 관한 연구를 하던 도중 산화철을 레이저 유도 열수성장을 특정 조건에서 시도하면 박막과 유사한 형태로 자라는 것을 알게 되었습니다. 레이저 파라미터에 따라서 산화철의 두께를 손쉽게 조절 가능하다는 점을 발견했고, 이 공정의 결과로 생성된 구조에서 다양한 색상이 표현되는 것을 발견하여 이 연구를 시작하였습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

2018년도에 레이저를 이용한 다양한 박막 및 나노와이어의 성장을 연구하던 중 이러한 색상 구현 메커니즘을 발견하게 되었고, 교수님의 지도 아래 다양한 실험과 분석을 통해 이번 성과를 얻게 되었습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

초기에 고농도의 산화철 전구체 용액을 사용하여, 레이저 파라미터에 의한 산화철의 생성속도를 제어하는 것이 매우 힘들었습니다. 이것을 극복하기 위해 유사한 물질을 사용하는 다른 실험에서는 시도하지 않았던 용액의 농도를 낮추는 선택을 통해 이러한 문제를 해결하였습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기판에 손상을 주지 않는 선택적 채색, 이미 만들어진 색상의 조절, 제거가 가능하다는 것이 이 공정의 큰 특징입니다. 또한 기존에는 없었던 광원의 변화에 따라 재 프로그래밍 할 수 있는 광전자 장치를 개념을 볼로미터를 통해 보여주었습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

활용분야의 경우 기본적으로 색상을 통해서, 금속표면에 손상을 주지 않는 다양한 색상 마킹에 적용할 수 있습니다. 또한 더 나아가서는 표면 색상과 광원의 파장에 따른 흡수, 반사 차이를 통해서 프로그램 가능한 형태의 기술 개발에 사용될 것으로 생각합니다. 실용화를 위해서는 복잡하게 프로그래밍 되어 있는 상태에서도 광원에 따라 우리가 원하는 데로 정확하게 반응하는지, 더 빠른 속도로 응답이 가능한지에 대한 연구가 진행 되어야 할 것입니다. 또한 더 나아 가서는 이러한 레이저 유도 열수 성장 방식이 다양한 물질에서도 가능한지, 백금 기판이 아닌 다른 기판에서도 적용이 가능한지 연구되어야 할 것입니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

다른 물질에 대한 연구의 확장이 진행되면 좋을 것 같습니다. 그리고 특정 온도에서 광학적 특성으로 특별한 성질을 가지는 산화바나듐이라는 물질에 대한 연구를 진행하고 싶습니다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

교수님께서 이 연구에 대해서 단순한 공학적인 면이 아닌 예술적 측면의 가치를 생각해본 적이 있냐고 물어본 적이 있습니다. 그래서 저에게 “이 기술이 인터넷상에 있는 하나의 펜으로 여러 색을 만들 수 있는 기술과 유사하지 않을까?”라고 말씀을 하셨습니다. 그때 이후로 기술이 단지 산업뿐만 아니라 디자인적인 측면에서도 사용될 수 있다고 생각을 하게 되는 계기가 있었습니다.