KAIST, 빛 투과율 조절 가능한 광학 필름 개발
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KAIST, 빛 투과율 조절 가능한 광학 필름 개발
  • 입력 2020-05-14 14:51
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'능동형 광학 필름' 개발 연구팀(왼쪽부터 홍정욱 교수, 이상언 박사, 조동휘 박사과정, 전석우 교수)

국내 연구진이 나노 구조체를 이용해 빛 투과율을 자유롭게 조절할 수 있는 광학 필름 제작 기술을 개발했다. 에너지 절감과 사생활 보호 등 일상 생활에 기술 응용이 가능할 전망이다.

한국과학기술원(KAISTㆍ총장 신성철)은 전석우ㆍ신종화 신소재공학과 교수와 홍정욱 건설및환경공학과 교수 공동 연구팀이 3차원 나노 복합체를 활용, 에너지를 효율적으로 신축 변형해 가시광 투과율 조절이 가능한 '능동형 광학 필름' 개발에 성공했다고 14일 밝혔다.

(a~c) 광학 필름 연구 과정에서 확인한 현미경 사진
(d) 굴절률이 일치해 투명한 신축성 광학 필름
(e) 당겨 늘릴 때 발생하는 광학 산란 현상을 이용, 불투명한 신축성 광학 필름

연구팀은 정렬한 3차원 나노 네트워크 바탕 신축성 나노 복합체를 이용해 광학 필름 제작에 필요한 원천 기술을 확보했다. 가시광 투과율 조절 폭은 최대 90%에서 최소 16%까지로 약 74% 범위의 가시광 투과율을 조절할 수 있다. 기존 2차원 광학 필름은 평균 46% 범위가 조절 가능했다.

기존 능동형 광학 변조 기술은 느린 반응속도와 불필요한 색 변화를 동반하고 있어 선글라스나 쇼케이스, 광고 등 일부에서 활용했으며 현재 새로운 광학 변조 기술 개발이 연구계에서 진행 중이다.

에너지 신축 변형을 이용한 광학 변조 기술은 비교적 간단한 구동 원리와 낮은 에너지 소비로 투과율을 제어할 수 있어 학계 및 관련 업계에서 관심을 받았다.

하지만 기존 연구 발표에 따르면, 광 산란 제어를 유도하는 구조는 대부분 광학 밀도가 낮은 2차원 표면 구조이기 때문에 좁은 투과율 변화 범위를 가지며 물과 같은 외부 매질에 인접하면 광학 변조 기능을 잃는다. 또 비정렬 구조를 바탕으로 해 광학 변조 특성이 균일하지 못하고 넓은 면적으로 만들기 어렵다.

이에 착안한 연구팀은 정렬한 3차원 나노 구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝(PnP : Proximity-field nanopatterning) 기술과 산화물 증착(증기를 표면에 얇은 막으로 입힘)을 제어할 수 있는 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition)을 이용했다.

이에 3차원 나노 쉘 구조인 알루미나(alumina)가 탄성중합체에 삽입한 신축성 3차원 나노 복합체 필름을 3인치×3인치 크기로 제작하는 데 성공했다. 연구팀은 이 크기가 현존하는 광학 변조 필름 중 가장 큰 면적이라고 설명했다.

연구팀은 1만 번에 걸친 구동 시험을 거쳤다. 굽힘이나 뒤틀림 등 거친 변형과 70℃ 이내 고온 환경 및 수중 테스트를 수행해  구동 특성을 확인한 결과 높은 내구성과 안정성을 확인했다.

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산화물ㆍ탄성중합체 계면에 작은 구멍 형성 메커니즘 및 가시광 산란으로 인한 투과율 감소 현상 원리 규명

또 재료   역학 적ㆍ  광학적 이론 해석을 바탕으로 경계면에서 발생 하는 광 산란 현상 메커니즘도 규명하는 데 성공했다. 

KAIST는 이번에 개발한 기술을 활용하면 창호 시스템 교체 없이 얇은 광학 필름을 유리 표면에 부착해 투과율 조절이 가능하고 설명했다. 이어 이 기술을 에너지 절감형 스마트 윈도우와 두루마리 타입 빔프로젝터 스크린, 사생화 보호 등에 응용할 수 있을 것으로 전망했다.

 

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