금(gold), 은, 알루미늄의 고유색을 바꿀 수 있을까?
Ultra-thin films with highly absorbent porous media fine-tunable for coloration and enhanced color purity
한국연구재단(이사장 조무제)은 송영민 교수(광주과학기술원)․장경인 교수(대구경북과학기술원) 연구팀이 금속에 수 나노미터*의 반도체를 다양한 각도에서 코팅하여 더 진하고 미세한 색 변화를 조절하게 되었다고 밝혔다.
* 나노미터(nm) : 10억분의 1미터
연구팀은 금속에 반도체 물질을 수 나노미터 두께의 초박막*으로 코팅하여 금속과 반도체의 표면에서 반사된 빛이 강한 박막 간섭*을 일으켰다. 이를 통해 금, 은 등 금속의 고유색을 바꾸는 데 성공했다.
* 초박막(ultra-thin film) : 박막(thin film)은 기계가공으로 만들 수 없는 두께가 마이크로미터 이하인 얇은 막을 의미하며, 초박막은 이보다 더 얇은 두께의 막. 통상 수 내지 수십 나노미터 두께의 막을 초박막이라 함.
* 박막 간섭 효과 (thin-film interference effect) : 박막 구조는 복수의 박막층으로 이루어진 구조를 의미하는데 각 박막층에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으키는 것.
금(gold) 위에 코팅하는 게르마늄 반도체의 초박막 두께에 따라 색이 달라진다는 기존 연구가 있었으나 색의 변화가 급격하고, 진하게 색을 입히기가 어려운 한계가 지적됐다.
연구팀은 금(gold) 표면에 빗각증착법*을 사용하여 5~25 나노미터의 얇은 게르마늄 막을 입혔다. 그 결과, 게르마늄 코팅의 두께와 증착*각도에 따라 노란색, 주황색, 파랑색, 보라색 등 다양한 색을 원하는 대로 만들어낼 수 있었다.
* 빗각증착법 : 기판의 표면에 물질을 비스듬히 입사하여 증착하는 방법
* 증착 (deposition) : 물질 혹은 물질 집합의 상태 변화가 기체의 상에서 고체의 상으로 변하는 것
빗각증착법은 게르마늄층의 높은 복소 굴절률*을 줄이기 위해 선택한 방법이다. 비스듬히 입사하는 방법으로 게르마늄에 작은 구멍을 많이 낸 다공성*을 적용하면 복소 굴절률을 줄일 수 있다.
* 복소 굴절률 (complex refractive index) : 매질의 특성을 나타내는 단위가 없는 량으로, 복소수로 표현된다. 실수부는 매질로 빛이 진행할 때, 광속이 줄어드는 비율을 가리키며, 허수부는 매질 내에서 빛의 크기가 줄어드는 정도를 나타냄
* 다공성 : 물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질을 뜻하며, 물질에서 구멍과 같이 비어있는 공간의 비율을 의미함. 이 연구에서는 이를 초박막 구조의 매질에 적용하여 다양한 색을 구현함.
송영민 교수는 “이 연구성과는 5~25 나노미터 두께의 초박막 반도체로 금속의 색을 기존보다 더 다양하게 바꾸는 방법을 개발한 것이다. 향후 건물 외벽 등 다양한 목적으로 사용되는 태양전지, 웨어러블 기기, 디스플레이, 금속 시각 예술, 보석 등에 적용할 수 있다”고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단의 기초연구사업(집단연구)의 지원으로 수행되었다. 나노분야 국제 학술지인 나노스케일(Nanoscale) 12월 9일자에 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
- 논문명 : Ultra-thin films with highly absorbent porous media fine-tunable for coloration and enhanced color purity
- 저자 정보 : 송영민(광주과학기술원, 공동 교신저자), 장경인(대구경북과학기술원, 공동 교신저자), 유영진(광주과학기술원, 제1저자), 임진하(포항공과대학교, 공동저자), 이길주(광주과학기술원, 공동저자)
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
금속뿐만 아니라 반도체와 같은 물질은 고유의 색을 띄게 된다. 고유의 물성이 바뀌지 않는 이상 물질의 색을 변형하는 것은 쉽지 않다. 색상변화를 위해서는 타 재료와의 혼합이 필요하고 이는 전기적/기계적 특성의 변형을 야기한다.
반도체 또는 유전체에서 색상을 조절하는 것은 박막 간섭(thin-film interference) 효과를 통해 가능하다. 고인 물위에 기름막이 있을 때 무지개 색을 띄는 것과 동일한 원리다.
* 박막 간섭 효과 (thin-film interference effect) : 박막 구조는 복수의 박막층으로 이루어진 구조를 의미하는데 각 박막층에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으키는 것을 박막 간섭 효과라고 한다. 간섭은 반사된 빛이 서로 상쇄되어 반사가 감소하는 상쇄 간섭과 반사된 빛이 서로 더해져 반사가 증가하는 보강 간섭이 있는데, 박막의 두께에 따라 간섭이 다르게 나타난다.
기존 금(Au)과 게르마늄(Ge)을 사용한 초박막 구조에서는 게르마늄의 매우 높은 복소 굴절률 때문에 표면에서 반사가 많이 일어나서 전체적인 색순도가 좋지 못하고, 두께에 따른 빛의 위상변화가 크기 때문에 색의 변화가 매우 빨리 일어나 색을 조절하기 힘들었다.
* 복소 굴절률 (complex refractive index) : 매질의 특성을 나타내는 단위가 없는 량으로, 복소수로 표현된다. 실수부는 매질로 빛이 진행할 때, 광속이 줄어드는 비율을 가리키며, 허수부는 매질 내에서 빛의 크기가 줄어드는 정도를 나타낸다.
2. 연구 내용
연구팀은 매질의 다공성(Porosity)에 따라 복소 굴절률이 변화하는 점에 착안하여 게르마늄층에 다공성을 적용하였다. 그 결과, 색 좌표계 상에서 다공성이 높을 때의 색 표현 범위가 더 넓어지는 것을 확인하였다. 그에 따른 색의 표현에서도 색순도가 높은 것을 확인하였다. 높은 다공성에서 게르마늄층의 두께 변화에 따라 색의 변화가 더 점진적으로 나타나는 것을 알 수 있었다.
* 다공성: 물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질을 뜻하며, 물질에서 구멍과 같이 비어있는 공간의 비율을 의미함 . 이 연구에서는 이를 초박막 구조의 매질에 적용하여 다양한 색을 구현함.
다공성을 적용하여 색순도와 색조절성이 향상된 시뮬레이션 결과를 실제 구현하기 위하여 빗각증착법(oblique angle deposition)을 사용하였다. 실험 결과, 제작된 샘플의 색이 두께와 증착각도에 따라 다양하게 나타나는 것을 확인하였다. 검증을 위해 반사율을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교한 결과, 색 좌표계상에서 계산된 결과와 측정된 값이 거의 일치하였다. 실제 색의 비교에서도 유사한 색을 띄었다.
* 빗각증착법 : 기판의 표면에 물질을 비스듬히 입사하여 증착하는 방법
3. 연구 성과
반도체 물질과 금속을 이용한 초박막 구조에 다공성을 적용하여 두께로만 색을 조절하는 기존 방법을 넘어 색을 미세 조절할 수 있고 높은 색순도를 구현할 수 있다. 앞으로의 초박막 구조의 응용에 있어 다양한 색을 구현할 수 있을 것이다.
나노미터 단위의 초박막으로 제작이 용이한 구조이므로 웨어러블 기기, 디스플레이, 태양전지 등의 유연소자 분야에도 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
금속 소재의 색상변화에 관한 연구는 광학적 및 색채학적 측면에서 그 의미가 있으며, 특히 반도체 박막을 기반으로 한 금속 소재의 색상변화 기술은 시각 예술이나 보석 등에 이용될 수 있을 뿐만 아니라 기존 반도체 소자에 심미적 기능을 더하는 데에도 적용될 수 있다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
일반적으로 대부분의 금속은 자유전자가 금속 내부에서 자유롭게 움직이면서 여러 파장의 빛을 반사하게 되어 백색 광택을 띄게 된다. 금 (Au)의 경우 파란색 빛을 흡수하기 때문에 흡수된 빛을 제외한 나머지 빛을 반사하여 노란색을 띄게 된다. 이렇듯 금속뿐만 아니라 반도체와 같은 물질에서는 전자에 의한 물질 고유의 에너지띠를 가지게 되는데, 그보다 큰 에너지의 빛은 흡수되기 때문에 고유의 색을 띄게 된다. 따라서 고유의 물성이 바뀌지 않는 이상 물질의 색을 변형하는 것은 쉽지 않으며, 색상변화를 위해서는 타 재료와의 혼합이 필요하고 이는 전기적/기계적 특성의 변형을 야기한다.
한편 반도체 또는 유전체에서 색상을 조절하는 것은 박막 간섭(thin-film interference) 효과를 통해 가능한데, 이는 고인 물 위에 기름막이 있을 때 무지개 색을 띄는 것과 동일한 원리이다. 하지만 금속기판처럼 빛의 흡수 및 반사가 강한 소재에서는 박막 간섭 효과가 적용되지 않는 것으로 알려져 있다.
따라서 금속 소재의 색상변화에 관한 연구는 광학적 및 색채학적 측면에서 그 의미가 있으며, 특히 반도체 박막을 기반으로 한 금속 소재의 색상변화 기술은 시각 예술이나 쥬얼리 등에 이용될 수 있을 뿐만 아니라 기존 반도체 소자에 심미적 기능을 더하는 데에도 적용될 수 있다.
2. 연구내용
이 연구에서는 게르마늄(Ge)과 같이 빛의 손실이 있는 필름에서는 표면에서 빛이 반사될 때 일반적이지 않은 위상 변화를 일으킨다는 현상을 이용하였다. 반사율이 매우 높은 금 (Au)위에 게르마늄 (Ge)을 코팅하게 되면 수 나노미터의 매우 얇은 두께에서 강한 간섭을 일으켜 색을 띄게 된다. 그러나 금 (Au)과 게르마늄 (Ge)을 사용한 초박막 구조에서는 게르마늄의 매우 높은 복소 굴절률 때문에 표면에서 반사가 많이 일어나서 전체적인 색순도가 좋지 못하고, 두께에 따른 빛의 위상변화가 크기 때문에 색의 변화가 매우 빨리 일어나 색을 조절하기 힘들었다.
이에 대한 해법으로 매질의 다공성(Porosity)에 따라 복소 굴절률이 변화하는 점에 착안하여 게르마늄층에 다공성을 적용하였다. 먼저, 다공성에 따른 유효 굴절률을 계산하여 금위에 게르마늄을 코팅한 초박막 구조의 반사 특성을 광학 시뮬레이션을 통해 얻어내었다. 시뮬레이션을 통해 얻은 반사 특성을 색의 입장에서 분석하기 위해, 계산된 반사율을 좌표위치에 따라 색 정보를 알 수 있는 CIE 색 좌표계에 표현하고 그에 따른 색을 표현하였다. 그 결과, 색 좌표계 상에서 다공성이 높을 때의 색 표현 범위가 더 넓어지는 것을 확인하였으며, 그에 따른 색의 표현에서도 색순도가 높은 것을 확인하였다. 그리고 높은 다공성에서 두께 변화에 따라 색의 변화가 더 점진적으로 다양하게 나타나는 것을 알 수 있었다.
다공성을 적용하여 색순도와 색조절성이 향상된 시뮬레이션 결과를 실제 구현하기 위하여 빗각 증착법(oblique angle deposition)을 사용하였다. 빗각 증착법은 증착각도에 따라 다공성을 조절할 수 있는 공정 방법이며, 이 연구에서는 이를 이용하여 시뮬레이션과 동일한 조건의 구조로 실험을 계획하였다. 빗각 증착을 위해 전자선 증발기를 이용하였고, 샘플 홀더의 각도를 다르게 하여 증착 각도를 조절하여 실험을 진행하였다. 실험 결과, 제작된 샘플의 색이 두께와 증착각도에 따라 다양하게 나타나는 것을 확인하였으며, 검증을 위해 반사율을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교해 보았다. 비교 결과, 색 좌표계상에서 계산된 결과와 측정된 값이 거의 일치하는 것을 확인하였으며, 실제 색의 비교에서도 유사한 색을 띄는 것을 확인하였다.
3. 기대효과
반도체 물질과 금속을 이용한 초박막 구조에 다공성을 적용함으로써 기존의 두께로만 색을 조절하는 것을 넘어 다공성으로 색을 미세 조절할 수 있고 높은 색순도를 구현할 수 있으므로 앞으로의 초박막 구조의 응용에 있어서 다양한 색을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 나노미터 단위의 초박막이며 제작이 용이한 단순한 구조이므로 웨어러블 기기, 디스플레이, 태양전지 등의 유연소자 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
이 연구는 2015년 학부연구생의 연구주제로 시작되었다. 빛의 반사와 색깔의 상관성에 대해서 전부터 관심이 있었다. 연구실에서 주로 반도체와 금속 등을 다루다보니 자연스레 반도체와 금속에서 나타나는 색에 대해 보다 관심을 갖게 되었다. 최근에는 LED, 태양전지 등 반도체 소자의 데코레이션 응용에도 관심이 생기게 되어 이 연구를 본격적으로 시작하게 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
연구책임자인 송영민 교수는 대학원 재학시절부터 반도체 광소자에서 발생하는 빛의 반사, 굴절, 투과, 흡수 등에 대한 연구를 지속적으로 진행해왔다. 태양전지의 효율을 극대화할 수 있는 광대역 무반사 나노구조, 투명 디스플레이를 더욱 투명하게 할 수 있는 투명전극, 곤충 눈을 모방한 카메라 등이 이에 포함된다. 이 연구는 빛의 반사와 흡수성질을 적절히 활용하여 색을 나타내는 것으로서 앞선 연구들의 연장선상에 있다. 이를 구현하기 위해 광학 설계를 통해 시료가 원하는 색을 낼 수 있도록 금속/반도체 박막 구조를 디자인하고 이후에 반도체 공정을 통해 샘플을 제작한다. 제작된 샘플은 광학 특성 측정 및 색상 표현을 통해 평가되며 이론적 수치와의 비교/피드백이 이루어진다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
실험은 크게 어려운 점은 없었으나 제작하고자 하는 샘플의 반도체 박막 두께가 수 나노미터 수준으로 매우 얇기 때문에 매번 정확한 두께로 제작하는 것이 다소 어려웠다. 이를 위해서 제작 장비의 실험 조건을 일정하게 유지하는 데에 최대한 주의를 기울임으로써 만족할만한 데이터를 얻을 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
하버드 대학의 연구 그룹에서 유사한 결과가 보고된 바 있으나, 색순도(color purity)가 떨어지는 단점이 있었다. 이 연구에서는 이를 높이기 위해 반도체 박막을 증착하는 과정에서 빗각 증착법(oblique angle deposition)을 이용하여, 기존 반도체보다 복소 굴절률(complex refractive index)이 낮은 반도체를 증착하였고, 이를 통해 기존보다 색순도가 높은 박막을 제작할 수 있었다. 게다가 이 방법을 적용하면 보다 다양한 색의 표현이 가능하게 되므로 반도체 소자의 색채응용(태양전지 집적형 스마트 글래스, 광학필터, 디스플레이, 3D 프린팅 등)에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
현재 제작된 샘플은 광학적 특징만 살펴본 것이지만, 추후에는 이를 이용한 태양전지, 광검출기 등 반도체 광소자를 제작하고 실생활에 응용할 수 있는 수준까지 만드는 것이 목표이다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
이 연구는 앞서 언급한대로 학부생의 연구과제로 시작되었다. 처음에는 학부생이 과연 이 내용을 이해하고 실험을 진행할 수 있을까 하는 우려가 컸지만, 학생들 스스로가 흥미를 느끼고 연구를 주도적으로 진행해나가는 모습을 보면서 모든 걱정이 기우였음을 깨닫게 되었다. 학생들의 학부생 시절에 시작된 연구는 대학원 진학을 통해 보다 구체화되었고, 마침내 나노분야 저명 학술논문 출판으로까지 이어지게 되었다. 학교 수업을 듣고 학점 관리하는 것만으로도 바쁜 시기에 열심히 실험을 해준 유영진, 임진하, 이길주 학생에게 감사의 마음을 전한다.
용 어 설 명
1. 나노스케일 (Nanoscale) 誌
○ 나노스케일 (Nanoscale)는 과학, 기술 분야 상위 학술지중 하나로 2010년부터 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 나노 과학 분야 (Nanoscience & Nanotechnology Sciences) 학술지 중 12위에 해당하는 영향지수 (impact factor 7.760)를 가지고 있다.
2. 박막 간섭 효과 (thin-film interference effect)
○ 박막 구조는 복수의 박막층으로 이루어진 구조를 의미하는데 각 박막층에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으키는 것을 박막 간섭 효과라고 한다. 간섭은 반사된 빛이 서로 상쇄되어 반사가 감소하는 상쇄 간섭과 반사된 빛이 서로 더해져 반사가 증가하는 보강 간섭이 있는데, 박막의 두께에 따라 간섭이 다르게 나타난다.
3. 다공성 (porosity)
○ 물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질을 뜻하며, 물질에서 구멍과 같이 비어있는 공간의 비율을 의미하기도 한다. 이 연구에서는 이를 초박막 구조의 매질에 적용하여 다양한 색을 구현하였다.
4. CIE 색 좌표계
○ 색이 가지는 색채 값을 2차원으로 표현할 수 있는 색 좌표계이다. 인간의 색채 인지에 대한 연구를 바탕으로 수학적으로 정의된 최초의 색 공간 가운데 하나이며, 국제조명위원회(CIE)에 의해 제정되었다.
5. 빗각 증착법 (oblique angle deposition)
○ 기판의 표면에 어떤 물질을 증착 할 때 비스듬히 증착 물질을 입사하여 증착하는 방법으로, 이 연구에서는 이를 통해 다공성 박막을 증착하였다.
그 림 설 명
(그림 1) 다공성 초박막 구조 및 모식도 (왼쪽), 서로 다른 다공성을 가지는 초박막 구조의 두께의 변화에 따른 반사율 변화 (오른쪽)
금 위에 서로 다른 다공성을 갖는 수 나노미터의 게르마늄을 증착하여 다양한 색을 구현할 수 있다. 오른쪽 그림과 같이 시뮬레이션을 통한 반사율 변화에서 서로 다른 다공성에서 두께에 따른 반사곡선의 골(흰색 점선)의 이동이 변하는 것을 볼 수 있다. 다공성의 정도가 클수록 흰색 점선의 이동이 완만하며, 이는 게르마늄 두께에 따른 색의 변화가 보다 서서히 변화함을 의미한다.
(그림 2) 빗각 증착을 사용하여 제작한 샘플의 색채 값(왼쪽), 증착각도 및 두께에 따른 제작 샘플 사진(오른쪽)
빗각증착을 사용하여 제작한 샘플들을 반사율 측정하여 색채 값을 얻은 결과, 시뮬레이션을 통해 얻은 색 범위와 거의 일치하는 것을 확인하였다. 오른쪽의 실제 샘플 사진에서 증착각도와 두께에 따른 색의 변화를 확인할 수 있다. 다공성 0%,40%,60%,75%는 증착 각도 0〫〫 ,30〫 ,45〫 ,70〫 에 각각 매칭된다.
