사이버홍보관

심영석 신소재공학부 교수 에너지의 효율적 신축 변형으로 빛의 투과율 조절 가능한 능동형 광학 필름 개발

- 3차원 나노 복합체 이용, 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절 범위 달성

• - 에너지 절감형 스마트 윈도우, 두루마리 타입 빔프로젝터 스크린 등에 활용

• 심영석 교수가 참여한 국내 연구팀이 기존 창호 시스템을 교체하지 않고서도 투과율을 큰 폭으로 자유롭게 조절할 수 있고 에너지 절감형 스마트 윈도우 등으로 활용 가능한 새로운 광학 필름 제작 기술을 개발했다.

   

  연구팀은 정렬된 3차원 나노 네트워크에 기반한 신축성 나노 복합체를 이용해 가시광 투과율을 최대 90%에서 16%까지 조절 할 수 있는 넓은 면적의 광학 필름 제작에 필요한 원천 기술을 확보했다. 약 74%인 이 범위는 평균적으로 46%의 범위를 가졌던 기존 2차원 필름의 수준을 훨씬 뛰어넘는 세계 최고 수준의 기술이라고 연구팀은 밝혔다. 최근 들어 제로 에너지 빌딩, 스마트 윈도우, 사생활 보호 등 에너지 저감, 감성 혁신 응용에 대한 관심이 급증함에 따라 능동형 광학 변조 기술이 주목 받고 있다. 기존의 외부 자극(전기, 열, 빛 등)을 이용한 능동형 광학 변조 기술은 느린 반응속도와 불필요한 색 변화를 동반하고 안정성이 낮아 선글라스, 쇼케이스, 광고 등 매우 제한적인 분야에만 적용돼왔기 때문에 현재 이를 개선할 수 있는 새로운 형태의 광학 변조 기술 개발이 활발하다.

  에너지의 효율적인 신축 변형을 이용한 광학 변조 기술은 비교적 간단한 구동 원리와 낮은 에너지 소비로도 투과율을 효율적으로 제어할 수 있는 장점을 지녀 그동안 학계 및 관련 업계로부터 집중적인 관심을 받아왔다. 그러나 기존 연구에서 보고된 광 산란 제어를 유도하는 구조는 대부분 광학 밀도가 낮은 2차원 표면 구조에 기반 하기 때문에 좁은 투과율 변화 범위를 갖고, 물 등 외부 매질과 인접할 때 광학 변조 기능을 잃어버리는 문제를 가지고 있다. 특히, 비 정렬 구조에 바탕을 두고 있어 광학 변조 특성이 균일하지 못해 넓은 면적으로 만들기도 힘들다.

   

  연구팀은 정렬된 3차원 나노구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝 (PnP, Proximity-field nanopatterning) 기술과 산화물 증착(증기를 표면에 얇은 막으로 입힘)을 정교하게 제어할 수 있는 원자층 증착법 (ALD, Atomic layer deposition)을 이용했다. 이에 주기적인 3차원 나노쉘 (nanoshell) 구조의 알루미나 (alumina)가 탄성중합체에 삽입된 신축성 3차원 나노복합체 필름을 현존하는 광학 변조 필름 중 가장 큰 면적인 3인치×3인치 크기로 제작하는 데 성공했다. 광학 필름을 약 60% 범위로 당겨서 늘릴 경우 산화물과 탄성중합체의 경계면에서 발생하는 수없이 많고 작은 구멍에서 빛의 산란 현상이 발생하는 데 연구팀은 이를 이용해 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절 범위인 약 74%를 달성했다. 더불어 10,000회에 걸친 반복적인 구동 시험과 굽힘 및 뒤틀림 등 거친 변형, 70℃ 이내 고온 환경에서의 구동, 물속에서의 구동 특성 등을 확인한 결과, 높은 내구성과 안정성을 확인했다. 이와 함께 재료역학적 광학적 이론 해석을 바탕으로 경계면에서 발생하는 광 산란 현상 메커니즘을 규명하는 데도 성공했다.

  심영석 교수는 “이번에 새로 개발된 기술은 기존 창호 시스템 교체 없이 간단한 얇은 필름 형태로 유리 표면에 부착함으로써 투과율을 조절할 수 있는 에너지 절감형 스마트 윈도우로 활용이 가능할 뿐만 아니라 두루마리 타입의 빔프로젝터 스크린 응용 등 감성 혁신적인 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

  한편 이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 다부처 공동사업과 글로벌 프론티어 사업, 그리고 이공분야기초개발사업의 지원을 통해 수행됐다.