갈바닉 치환을 통한 금-은 이종 나노소재 메타물질 공정 모식도. (사진=한국전자통신연구원 제공)
국내 연구진이 투명망토, 3D 홀로그램 등에 활용될 수 있는 혁신적인 인공소재인 '메타물질'의 특성을 쉽게 조절하며 제작할 수 있는 핵심 원천소재와 공정 기술을 개발했다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 이같은 내용의 '특성 조절 플렉서블 메타물질 제작 기술'이 미국화학회 나노분야 국제학술지인 '응용재료 인터페이스(AMI AMI : Applied Materials & Interface)' 온라인에 6일 게재됐다고 밝혔다.
메타물질은 자연에서 발견되지 않은 특성을 지니도록 설계된 물질로서 주로 금속 등의 복합적인 구조 집합이기 때문에 자연에 있는 물질과 달리 구조나 배열형태에 의해 특성이 바뀌는 인공소재다.
따라서 메타물질의 구조를 바꾸면 물질 특성까지도 마음대로 조절할 수 있어 ICT 기기에 적용시 그 성능을 크게 향상시켜 폭넓은 적용이 가능하다.
대표적으로 메타물질은 소형화, 경량화, 박막(薄膜)화가 가능하다.
이를통해 고해상도 홀로그램 제작, 고집적 광회로 제작, 고해상도 디스플레이 제작, 고효율의 태양전지, 고민감도의 적외선·광센서 제작 등에 널리 활용이 가능하고 다양한 산업 및 군수 분야 등에서도 응용이 가능하다.
기존 메타물질은 일반적으로 금(Au)이나 은(Ag)을 통해 만들었지만 소재가 제한됨에 따라 특성을 다양화하기 위해서는 구조를 변경, 사용함에 따라 물질특성의 자유도 또한 한계가 있었다.
연구진은 이러한 한계를 넘어 메타물질의 특성의 자유도를 높일 수 있는 기술을 개발했는데 금, 은의 조성비를 달리해 소재를 제작하면서 메타물질의 물성을 조절하는 기술을 만들었다.
연구진은 유리 기판 위에 200나노미터(nm)급의 은 나노입자로 이루어진 나노디스크 형태의 패턴을 제작한 뒤 갈바닉 치환공정을 통해 입자 하나 하나를 금으로 쌓아 금과 은이 공존하는 메타소재로 이루어진 메타물질을 제작하는데 성공했다.
이때 금, 은의 비율에 따라 물성을 조절해 메타물질 흡수체를 제작할 수 있는 성능지수(Q factor)를 조건에 따라 0.7-0.2 까지 낮췄다.
이는 기존 니켈 소재보다 3배 이상 낮은 수치다.
연구진은 또 상용화가 가능하도록 메타물질 제조 공정과 소재도 획기적으로 바꿨다.
그동안 메타물질은 주로 반도체를 만드는 공정과 같이 진공공정 기반 기술을 통해 제작해 왔지만 이 방식들은 제조에 시간이 많이 걸리고 넓은 면적의 유연 기판 등에 제작하기가 어려워 생산성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
연구진은 용액공정 기반 기술을 대면적 나노 공정이 가능한 나노 임프린트 공정과 접목해 용액에 넣거나 빼고 용액을 뿌리면 메타물질 제작이 가능하도록 개선했다.
이 방식은 메타물질 공정시 온도를 낮추고 대면적 유연한 기판 위에서도 제조가 쉽다는 장점이 있어 향후 휠 수 있는 플렉서블 소자에 메타물질을 활용할 수 있는 길도 열게 됐다.
특히, 이번 연구를 통해 제작한 '금-은 이종 나노소재 기반의 메타물질'은 330℃ 이상의 온도와 1% 과산화수소 용액에서 2시간 이상 노출돼도 열적, 화학적 안정성을 보이는 등 기존 금,은 나노소재에 비해 안정성이 크게 향상되었다. .
이 같은 특성을 지닌 메타물질은 열과 화학적 환경 등에 약하다는 단점을 해소해 태양전지의 플렉서블 전자소자, 광대역 태양에너지 흡수체 등 다양한 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
한국전자통신연구원 ICT소재연구그룹 홍성훈 박사는"본 기술로 제작 가능한 메타물질 및 활용 범위가 다양해졌다."라며 "향후 해당 기술을 응용하여 보다 균일성을 높인 플렉서블 메타물질 제작 방법을 연구할 계획이다"라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부"가시광파장용 나노결정기반 3차원 저손실 메타소재 개발"사업과"3D 포토 일렉트로닉스 원천기술 개발"사업으로 진행되었다.
게재 논문의 제1저자는 고려대학교 김수정 박사과정 학생이고 교신저자는 ETRI 홍성훈 박사, 고려대 오승주 교수이며, 이헌 교수 연구그룹과 공동연구를 통해 이뤄졌다.