▲ KERI의 나노 3D프린팅 기술로 제작된 회절격자를 통해 각도에 따라 달라지는 구조색상

국내 연구진이 카멜레온의 변화무쌍한 피부색이나 공작새의 아름다운 깃털 색의 물리현상을 나노 3D프린팅으로 구현하는데 성공해 투명 디스플레이나 증강현실(AR) 장치 등에 활용이 기대되고 있다.

한국전기연구원(KERI)은 스마트 3D프린팅 연구팀의 표재연 박사팀이 ‘나노 3D프린팅 기술’을 기반으로, 빛의 경로를 제어할 수 있는 3차원 회절격자를 구현하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

빛은 파장 수준의 작은 미세구조(머리카락 두께의 1/100~1/1000)를 만나면 휘어져 돌아나가거나 구멍을 통과해 넓게 퍼져나가는 등 경로가 바뀌게 되는데 이를 회절이라 한다. 이때, 미세 구조에 규칙성이 있다면 회절에 의해 특정 파장의 빛만을 반사해 색상을 낼 수 있는데, 이를 ‘구조색’이라고 한다. 

일례로 카멜레온의 피부색은 피부의 미세구조를 변화시켜 구조색이 변화하는 것이고, 공작새의 깃털은 내부 미세 구조의 특징적인 배열로 인해 아름다운 구조색이 보이는 것이다.

파장이 머리카락 두께의 1/1000 수준에 불과한 빛의 회절을 제어하기 위해서는 아주 미세한 회절격자가 필요하다. 이에 표재연 박사팀은 ‘수평 인쇄(Lateral printing)’라는 새로운 접근방법으로 고밀도의 나노선 회절격자를 인쇄하는 데 성공했다. 3D프린팅 노즐을 마치 바느질하듯이 움직여 다리(bridge) 모양의 회절격자로 여러 줄 인쇄하는 방식이다.

이번에 구현한 회절격자는 투명성이 있어 스마트 창문이나 거울, 자동차의 헤드업 디스플레이 등 미래형 투명 디스플레이 분야에 활용될 수 있다. 또한, 핵심 구성요소로 이미 회절격자를 활용하고 있는 증강현실(AR) 장치에도 다양하게 적용될 수 있다. 나아가, 회절격자는 변형에 따라 다른 색상이 발현되도록 설계할 수 있어 변형 감지가 필요한 기계공학과 생의학 분야에 이용이 가능하며, 회절격자 자체로서 다양한 광 물리 연구에 활용될 수 있다.

표재연 박사는 “기판의 소재나 형태의 제약 없이 원하는 위치에 원하는 구조색을 정확히 구현하는 세계최고 수준의 3D프린팅 기술”이라고 밝히며 “디스플레이 장치의 정형화된 ‘폼-팩터(Form-Factor)’ 한계를 극복하고, 형태의 다변화를 가져올 수 있을 것”이라고 전했다.

한편 관련 연구 결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 재료과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 ‘ACS Nano’에 표지논문으로 게재됐다. 학술지의 영향력을 평가하는 ‘JCR Impact Factor’는 17.100으로, 해당 분야 상위 5.7%에 속한다.

원천기술의 특허 출원을 완료한 KERI는 이번 성과가 디스플레이 관련 기업들의 많은 관심을 받을 것으로 보고, 수요 기업을 발굴하여 기술이전을 추진할 계획이다.

▲ 3차원 회절격자를 구현할 수 있는 KERI의 나노 3D프린터