수 십 만 개 미세거울 제어해 복합 미세주름 형성-선택적 분자정렬을 통한 광반응 미세주름으로 위변조 방지 등에 응용 기대

수 십 만 개 미세거울 제어해 복합 미세주름 형성-선택적 분자정렬을 통한 광반응 미세주름으로 위변조 방지 등에 응용 기대

 

등록일 2020.11.02.

 

 

수 십 만 개 미세거울 제어해 복합 미세주름 형성선택적 분자정렬을 통한 광반응 미세주름으로 위변조 방지 등에 응용 기대

□ 연잎의 표면을 본 뜬 방수천, 도마뱀 발바닥을 닮은 접착필름 등 눈에 보이지 않는 자연의 미세구조에서 힌트를 얻은 기능성 소재가 눈길을 끌고 있다.
○ 그 가운데 지문처럼, 물질표면에 특정한 조건(편광)에서만 보이는 미세주름을 형성, 위변조 방지나 태양광 패널의 반사저감 등에 응용할 수 있는 실마리가 소개되었다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 나준희 교수(충남대학교) 연구팀이 수십 센티미터 대면적 액정성 기판에 마이크로미터 크기의 미세주름을 원하는 여러 방향으로 한 번에 제작해냈다고 밝혔다.
○ 빛의 진동방향을 제어, 하나의 기판에 주름의 방향을 0도에서 90도까지 제각각 달리한 광반응 미세주름 패턴을 만든 것이다.
○ 기존에는 탄성 차이가 있는 연성기판에 기계적 응력(rubbing)을 가해 주름을 만드는 방식으로 단일방향의 주름을 만드는 데 그쳤다. 또한 평면에만 주름을 만들 수 있었다.
□ 이에 연구팀은 평면 연성기판의 제약에서 벗어나는 한편 주름 방향을 원하는 데로 제어, 복합주름을 만들고자 하였다.
○ 먼저 공간광변조기의 미세거울 수 십 만 개를 하나씩 제어, 입력된 이미지 정보에 따라 빛을 원하는 패턴대로 반사시켰다.
○ 그리고 편광자로 진동방향(편광)을 조절, 액정성 고분자 표면에 서로 다른 방향의 미세주름을 형성, 복합 주름패턴을 만들어냈다.

□ 이렇게 만들어진 미세주름의 방향 차이는 빛의 투과도에 따른 명도(밝기)차이로 이어져 원하는 특정 이미지를 표현할 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다.
○ LCD에 쓰이는 액정(Liquid Crystal)처럼, 방향에 따라 굴절률이 다른 액정성 고분자에 미세주름을 형성, 직교한 편광자를 통해 빛의 투과도를 조절하는 원리다. 이처럼 복합 미세주름에 의한 빛의 투과도 차이로 만들어지는 패턴은 정보전달을 위한 식별태그나 위조방지에 응용할 수 있다.

□ 실제 연구팀은 지폐나 와인병의 라벨 표면에 육안으로는 보이지 않는 미세주름을 형성, 직교된 편광자를 통해서만 미세주름을 확인할 수 있도록 했다. 시각요소에 더해 미세주름의 촉각요소를 동시에 구현함으로써 보다 강력한 위조방지에 기여할 수 있다는 설명이다.

□ 과학기술정보통신부·한국연구재단이 지원하는 신진연구지원사업과 교육부·한국연구재단이 추진하는 기본연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 10월 26일 게재 되었다.

주요내용 설명

<작성 : 충남대학교 나준희 부교수>

논문명
High definition optophysical image construction using mosaics of pixelated wrinkles
저널명
Advanced Science
키워드
pixelated wrinkles(픽셀화 주름), reactive mesogens(반응성 메조겐), image construction(이미지 형성), anti-counterfeiting(위변조 방지)
DOI
doi.org/10.1002/advs.202002134
저 자
나준희 교수 (교신저자/충남대학교), 김기태 박사과정 (제1저자/충남대학교),
김세움 박사 (제1저자/펜실베니아대학교(현 삼성전자))

1. 연구의 필요성
○ 표면 미세구조물은 사람의 피부, 나뭇잎 등 자연계 어디에나 존재하며 물리, 화학 그리고 생물학적 특성을 가지고 있어 흥미를 끌고 있다. 아울러 기계적 불안정성에서 야기되는 주름 구조물의 방향과 형태를 제어하는 기술은 반도체, 디스플레이 등 광범위한 분야에 응용된다.
○ 주름 구조를 만드는 대표적인 방법으로는 연성체(elastomer) 기반의 유연한 기판을 활용하는 기술이다. 탄성계수가 다른 두 층으로 이루어진 다층구조는 외부에서 가해지는 기계적 변형과 응력에 의해 주름이 형성된다. 두 층의 탄성 특성 차이를 이용하는 것이다. 주름 구조의 방향은 표면응력에 의해 결정되는데 단일 방향으로만 구현이 가능하다.
○ 두 방향 이상의 복잡한 주름 구조를 구현하기 위해서는 표면응력의 정교한 제어가 필요한데 이 때 연성기판만을 사용해야 하는 한계가 있었다. 때문에 기판의 제약 없이 무한대에 가까운 다중 주름 구조 및 복합 미세구조물을 형성하는 방법이 필요하다.
2. 연구내용
○ 본 연구에서는 공간 광변조(Spatial light modulation) 기술로 편광된 빛을 마이크로미터(㎛) 크기 수준으로 제어하여 액정성 고분자의 표면에 선택적으로 2차원 및 3차원 복합 미세구조물을 형성하는 방법을 제시했다.
○ 공간 광 변조기를 이용하여 선택적으로 편광된 자외선을 배향막*에 조사하고(광배향*), 이 배향막은 액정성 고분자의 분자 정렬 방향을 결정한다. 배향막의 국소적인 영역에 서로 다른 방향으로 편광된 자외선을 조사하고 그 위에 액정성 고분자를 도포 후 플라즈마를 조사하게 되면 층 변형 역학에 기반하여 표면에 서로 다른 방향의 주름이 형성되게 된다. 이러한 방법을 통해 아주 작은 영역(~0.0064 mm2)에 수 마이크로미터 주기를 갖는 다중 방향 주름 구조를 형성할 수 있다.
* 배향막(Alignment layer) : 어떤 분자를 특정 방향으로 정렬시키는 물질(층, 막)로 액정디스플레이에서 초기 액정분자의 정렬을 정의할 때 활용함.
* 광배향(Photo-alignment) : 광반응성 배향막에 편광된 자외선 빛을 조사하여 액정 분자를 정렬시키는 비접촉 배향 방법임.
○ 기존에는 연성기판을 기반으로 광범위한 변형에 의해 발생한 응력을 방출하는 방법으로 주름을 형성하였다. 변형을 주기 위해서는 열팽창, 삼투 팽창 및 기계적 변형 등 기계적 불안정성을 활용해야 했다. 이러한 공정은 2가지 이상의 주름의 주기와 방향을 동시에 구현하는 데 한계가 있고 연성기판만을 사용해야 하는 제약이 있다. 뿐만 아니라 이러한 기계적 변형은 광학적 응용에는 활용이 어렵다.
○ 또한 두 방향 이상의 미세 구조물을 형성하거나, 2차원적으로 복잡한 구조물을 하나의 기판에 동시에 구현할 수 있는 것은 기존 방법으로는 구현하기 어려웠다. 아울러 평면이 아닌 입체적 표면에 미세 구조물을 대면적으로 형성하기도 매우 어려웠다.
○ 아울러 액정성 고분자는 광학적 효과를 가지고 있어 직교한 편광판 사이에서 형성된 미세주름을 관찰할 경우 주름 구조의 방향에 따라 빛의 투과도를 조절할 수 있음을 확인했다. 이러한 원리를 이용해 정보전달을 위한 식별태그나 위조방지 기술, 그리고 디스플레이 소자의 광추출 효율을 향상시키거나 반도체 소자의 표면적을 증가하는 구조에 활용할 수 있다. (관련 충남대학교 연구팀 선행연구, Optics Express 28, 26519 (2020). https://doi.org/10.1364/OE.401328)

3. 연구성과/기대효과
○ 액정성 고분자로 형성한 주름 구조는 광학적 이방성*을 갖기 때문에 패턴된 주름 복합체를 형성하여 이미지를 표현하고, 이 이미지는 별도의 감별 도구를 사용할 필요 없이 직교된 편광 상태의 편광판을 통하여 확인할 수 있다.
* 광학적 이방성 : 빛이 물질을 통과할 때, 굴절률, 흡수도 등이 빛의 진동(편광) 방향에 따라 다르게 반응하는 특성.
○ 최근 각광받는 위변조 방지 기술에 접목시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한 최근 종이화폐가 기계적 강도가 우수한 고분자를 활용한 폴리머 화폐로 많은 국가에서 전환하고 있으며 이에 맞는 위변조 방지 기술이 필요한 상황에서 개발한 미세구조물 형성 기술이 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
○ 또한 복합미세구조체 형성이 필요한 분야, 예를 들어 국소적으로 굴절률 제어가 필요한 가변형 전자광학(Electro-optics) 소자 및 공간적으로 기계적 강도나 방향성 제어가 필요한 소프트 로봇 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
○ 특히 태양광 패널의 반사를 줄여주는 기술에 활용이 가능하며, OLED (Organic light emitting diode) 혹은 LCD(Liquid crystal display)와 같은 디스플레이의 소자의 발광 효율 향상에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 접촉면 증대 관련에서는 접착제 혹은 기능성 소재에 활용성이 높을 것으로 예상된다.

그림 설명

 

(그림1) 공간 광변조기와 편광자를 활용한 광반응 미세주름 형성 개념도
(왼쪽 위) 빛(광원, 자외선)을 공간광변조기를 이용해 원하는 패턴대로 선택적으로 반사시킨 후 편광자로 빛의 진동방향(편광)을 조절하면, 방향을 따라 액정성 고분자의 미세주름 방향을 제어할 수 있다.
기계적인 힘(rubbing)으로 주름을 만드는 기존 방식과 달리 하나의 기판에 서로 다른 방향의 다양한 미세주름을 형성할 수 있다. 이러한 미세주름의 방향 차이는 빛의 투과도에 따른 명도차이로 이어져 원하는 특정 이미지를 표현할 수 있다.
(왼쪽 아래) 미세주름의 방향에 따라 빛의 투과도가 달라져 밝기가 달라진다. 미세주름의 방향이 편광자에 45도가 될 때(가장 오른쪽 패널) 최대 휘도(luminance)를 관찰할 수 있다.
(오른쪽) 원본‘모나리자’와 광반응 미세주름으로 재현한 모나리자를 좌우로 반씩 모은 이미지. 가로, 세로 수 백 마이크로미터 크기의 각 픽셀은 수 마이크로미터 크기의 미세주름들로 구성된다. 방향이 다른 주름은 편광자 통과시 빛의 투과도가 달라져 결과적으로 명도차이를 낳게 되어 원하는 이미지를 표현할 수 있다.
출처 : 충남대학교 나준희 부교수

 

(그림2) 광반응 미세주름을 활용한 위조방지기술 응용예시
(왼쪽 위) 평면이 아닌 입체 표면에도 복합 미세주름을 형성시킬 수 있고 직교된 편광자를 통해 관찰할 경우 이미지 정보를 확인할 수 있다. 예시는 반구 표면에 세계지도 패턴의 미세주름을 형성한 모습이다.
(왼쪽 아래) 미세주름을 새긴 꼬리표를 물품에 부착하면 직교된 편광자를 통해 미세주름을 확인, 진품인지 확인할 수 있다. 기존 위조방지기술과 달리 광학적 이방성을 통한 시각요소와 미세주름을 통한 촉각요소를 동시에 구현함으로써 보다 강력한 위조방지 기술을 구현할 수 있다. 예시는 와인병에 부착된 라벨에 육안으로는 보이지 않는 미세주름을 형성한 모습이다.
(오른쪽) 지폐표면에 광반응 미세주름을 형성, 편광필름으로 볼 때 숨겨진 주름이 드러나도록 하여 위조지폐 판별에 응용할 수 있다.
출처 : 충남대학교 나준희 부교수

 

연구 이야기

<작성 : 충남대학교 나준희 부교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

주름은 다양한 미세구조물 중 주기와 단차 조절을 통해 다양한 물리적 현상을 관찰할 수 있기에 본 연구진은 기존 단일 방향 혹은 두 방향의 균일한 미세 주름 형성 연구를 진행해 왔다. 하지만 보다 높은 자유도의 복합 미세 주름을 형성하기에는 기존 러빙(rubbing)을 통한 다중 배향방법 (https://doi.org/10.1557/jmr.2018.360)에서 획기적인 개선이 필요했다.

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

본 연구에서 다중 방향의 미세 구조물 형성 방향제어를 위해 분자정렬기술을 활용했다. 기존에 표면마찰에 의해 정렬하는 러빙(rubbing)법은 여러 방향의 분자정렬을 하나의 기판에 구현하기가 어려웠다. 하지만, 빛의 편광을 활용한 광배향(photo-alignment)을 활용할 경우 빛의 편광 방향만 정밀하게 제어할 수 있다면, 무한대에 가까운 분자의 정렬을 제어할 수 있음에 착안하여 연구에 적용하였고 해결할 수 있었다. 또한 빛을 활용할 경우 비접촉식으로 곡면에도 분자 정렬을 유도할 수 있다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 표면 미세구조물 형성방법에 비해 매우 높은 자유도를 갖는다. 한 방향 혹은 수 가지의 균일한 미세 구조물(주름)을 형성하는 것은 기존에도 가능했지만, 본 연구에서 제안한 방법을 이용하면 원하는 위치에 원하는 방향의 미세 구조물을 형성할 수 있다. 이론상으로는 하나의 기판에 동시에 무한대의 미세 구조물을 원하는 방향으로 제어하여 형성할 수 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

표면 미세구조물을 활용하는 분야는 매우 많다. 연꽃잎을 모사한 자정기능(self-cleaning), 도마뱀 발바닥을 모사한 접착기능(adhesion) 같은 기초분야와 디스플레이 등 전자광학소자의 반사방지 기술 혹은 광추출 효율 향상에도 활용할 수 있다. 실용화를 위해서는 본 연구에서 활용한 고분자물질의 장기적 신뢰성 확보가 필요하다. 소재의 물리화학적 물성 향상과 외부자극에 대항할 코팅기술 등도 연구가 필요하다.