김상욱 교수(한국과학기술원) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 및 나노·소재원천기술개발 사업의 지원으로 연구를 수행하였으며, 이 연구는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션스 9월 29일자 온라인 판에 게재됐다.

 

- 논문명 : Highly Tunable Refractive Index Visible Light Metasurface from Block Copolymer Self-Assembly

   

- 저자 정보 : 김상욱 교수 (공동 교신저자, KAIST 신소재공학과), 신종화 교수 (공동 교신저자, KAIST 신소재공학과), 김주영 박사 (제1저자, KAIST 신소재공학과), 김효욱, 김봉훈 박사, 장태용, 임준원 박사, 진형민, 문정호 박사, 최영주, 정경재 박사, Shanhui Fan 교수

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

  

빛은 공기나 물, 유리 같은 하나의 물질에서 움직일 때 언제나 똑바로 움직인다. 그러나 공기 중에서 빛이 움직이다가 물 등의 다른 물질을 만나게 되면, 경계면에서 빛이 나아가는 방향이 바뀐다. 이처럼 물질에 따라 정해진 고유의 굴절률은 빛의 진행속도, 흡수 등의 현상을 결정하는 중요 요소이다.

물질의 굴절률을 임의로 조절할 수 있다는 것은 빛의 움직임을 원하는 형태로 설계할 수 있음을 뜻한다. 이는 LED 와 같은 디스플레이 내에서 발생하는 빛을 보다 효율적으로 나오게 하거나, 많은 양의 빛이 태양전지 내에서 흡수되게 하여 에너지 효율을 높일 수 있음을 의미한다. 

때문에 태양전지나 디스플레이 같은 광전자 소자에서 굴절률의 설계는 소자의 성능과 직결된다. 투명 망토를 가능하게 할 것이라는 음의 굴절률^*의 신소재도 이러한 맥락에서 연구가 진행된 것이다.

      

그러나 현재까지의 굴절률은 일반적으로 특정 재료를 선택함으로서 결정되는 것이므로, 재료의 세밀하고 정확한 광학적 설계를 통한 굴절률의 제어에는 한계가 있었다. 연구팀은 굴절률을 구성하는 두 요소인 유전율^*과 투자율^**을 적절히 조절한다면 굴절률도 조절 가능할 것으로 보고 연구에 착수하였다. 

연구팀은 분자조립제어 기술을 통해 금속 나노입자간의 간격을 수 나노미터 수준으로 정밀하게 조절한 메타소재를 설계하였다. 이 물질을 통하여 가시광선이 5 이상의 높은 굴절률을 가질 수 있음을 세계 최초로 증명하였다. 자연계에 존재하는 일반적인 물질의 평균 1~2 정도의 굴절률^*에 비해 높다.

비가시적인 적외선이나 전자파 영역의 굴절률을 폭넓게 조절 가능한 메타 소재는 국내 연구진에 의해 기초 연구가 진행된 바가 있으나, 가시광선 영역의 굴절률을 광범위하게 조절하는 메타소재에 대한 연구는 국제적으로도 극히 드물었다.

이번에 개발된 메타소재의 금속 나노입자 간 간격은 5nm 이하로 균일하여 굴절률의 정밀한 조절이 가능하다. 굴절률은 유전율과 투자율의 곱에 제곱근으로 표현되는데, 이 두 변수 중 하나를 통제하고 나머지 변수를 조절한다면 굴절률의 광범위한 조절이 가능하다. 

이번 연구에서는 분자조립제어 기술을 통해 나노미터 수준의 금속 입자를 형성하여, 투자율의 변화를 최소화하였고, 금속나노입자 간의 간격을 조절함으로써 전자장의 세기를 조절하여 다양한 굴절률을 확보할 수 있음을 보였다. 그리고 분자조립제어 기술을 통해 가시광선 파장보다 휠씬 작은 나노입자를 형성하였기 때문에 굴절률의 조절 범위를 가시광 영역까지 광범위하게 확대할 수 있었다.

특히 수축 공정을 통하여 매우 근접하게 배열된 금속나노입자의 경우, 매우 강한 전기장이 유도되어 가시광 영역에서 매우 높은 양의 굴절률을 가질 수 있음을 증명하였다. 

  

가시광선 영역에서 5 이상의 굴절률을 확보 가능한 이번 연구는, 넓은 파장대에서 광범위하게 물질의 굴절률을 조절할 수 있는 새로운 개념을 제시했다. 

이를 통해 가시광선 영역대 빛을 활용하는 태양전지, LED와 같은 광전자소자 내 빛의 진행과 흡수 등을 조절함으로써 성능 향상에 기여할 수 있을 뿐 아니라, 더욱 낮은 파장대에서 같은 원리가 적용된다면 보다 높은 해상도를 가지는 현미경, 반도체 장비 개발 등에 원천적 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.

김상욱 교수는 “우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 움직임을 조절할 수 있다는 것은 태양전지나 LED와 같은 디스플레이 장치의 성능을 향상시킬 수 있다는 뜻이며, 이는 지금까지 불가능했던 초고배율의 현미경이나 초고해상도 반도체 장비 등의 새로운 과학 장비를 위한  아이디어도 제시할 수 있을 것”이라고 이번 연구의 중요성과 의의를 밝혔다.

물질의 굴절률은 빛의 진행속도, 산란, 흡수 등의 움직임을 결정하는 핵심적인 인자로, 물질의 굴절률을 임의로 조절할 수 있다는 것은 빛의 움직임을 원하는 형태로 설계할 수 있음을 의미한다. 투명 망토를 가능하게 할 것이라고 기대를 모으고 있는 음의 굴절률의 신소재도 이러한 맥락에서 활발한 연구가 진행되었다. 하지만, 음의 굴절률뿐만 아니라, 양의 고굴절률, 그리고 이들의 광범위적 조절 능력이 확보되지 못한다면, 빛의 움직임을 보다 정밀하게 조절하기는 어렵다. 이에 본 연구에서는 굴절률을 이루는 중요한 두 변수인, 유전율과 투자율을 분자제어조립 기술을 기반으로 적절히 조절하여, 광범위하게 굴절률이 조절 가능한 메타물질을 제시하고자 하였다. 

본 연구에서는 분자제어조립 기술을 기반으로 균일하며, 주기적으로 배열되어 있는 금속나노입자를 형성하였고, 수축필름이라는 고분자 기판을 활용하여, 입자간 간격을 수 나노 미터 정도로 정밀하게 조절하였다. 개괄적인 도식은 그림 1과 같다. 

  

위 공정을 사용하여 실제 금속 입자간 간격은 5 nm 이하로 균일하며, 정밀하게 조절할 수 있었고(그림 2), 입자간의 강한 전기장이 형성 될 수 있음을 표면증감 라만 산란 조사법(Surface enhanced Raman Scatterting)을 통해 간접적으로 확인 할 수 있었다. 또한 이러한 입자간 간격은 이방적으로도 조절 가능하여 전기장의 세기를 보다 다양하게 조절할 수 있었다.

그림 2. (좌) 수축공정을 실시하기 전 분자제어조립 기술을 통해 형성된 금속나노입자 (우) 수축공정 후 매우 근접한 금속나노입자에 대한 주사 전자 현미경 이미지

   

수축 공정을 통해 형성된, 매우 근접한 금속나노입자는 높아진 유전율과 거의 변화가 없는 투자율로 인해 매우 높은 양의 굴절률을 가질 수 있음을 이론적으로, 실험적으로 증명할 수 있었다. (그림 3)

3. 기대효과

이번 연구를 통해 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선 대에서 빛의 움직임을 조절할 수 있는 기술을 확보하였기 때문에 태양전지나, LED 와 같은 디스플레이 장치의 성능을 상승시킬 뿐만 아니라, 지금까지 불가능했던 초고배율의 현미경이나 초고해상도 반도체 장비 등 새로운 광학 장치를 위한 아이디어를 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 

‘분자조립 나노기술을 보다 다양한 분야에 사용할 수 없을까’라는 기초적 질문에서 본 연구를 구상하게 되었다. 사실 분자조립제어기술은 지금까지 반도체 나노공정에서 가장 큰 각광을 받아왔다. 하지만 이외에도 대면적에서 규칙적인 나노패턴을 만들 수 있는 분자조립제어 기술을 활용할 수 있는 다양한 응용분야가 있을 것이라는 믿음을 가지고 새로운 연구분야를 모색하였고, 그 결과 광학소재분야를 찾을 수 있었다. 특히 최근 학계에서 많이 연구되고 있는 메타물질의 경우 빛의 파장보다 작은 나노패턴의 형성이 필요하고 이러한 부분이 분자조립제어원리와 잘 맞아 본격적으로 연구를 시작하게 되었다.  

본 연구에서 제시하는 가시광선 메타소재에 대한 기초적인 아이디어는 이미 장파장 역영 대에서  새로운 개념으로 인정받고 있었다. 문제는‘이를 어떻게 가시광선 영역 대에서 구현케 하며, 결과 값을 어떻게 측정할 것인가’이었다. 우리 연구에 참고가 될 수 있는 기존 연구결과들을 광범위하게 조사하였고, 다양한 새로운 시도를 모색하였다. 최종적으로 분자조립제어 나노기술을 통해 금속나노입자를 형성하고 이를 수축필름 위에 올려 입자간 간격을 조절하자는 아이디어에 도달할 수 있었다. 또한 만들어진 메타물질의 특성은 기존에 검증된 방법인 엘립소미터 측정법을 이용하는 것이 합리적일 것이라고 고려하였다. 더불어, 컴퓨터 시뮬레이션과 이론적 증명을 덧붙여 본 연구에서 제시하는 새로운 개념의 장점을 더욱 강조하고자 하였다. 

본 연구에서 제시하는 신물질을 구현하는 방법론의 확립하는 것이 가장 어려운 문제였다. 이론적으로 좋은 성능을 보일 수 있는 새로운 구조에 대한 아이디어는 어렴풋이 있었지만, 어떻게 제조할 것인가는 또 다른 문제였다. 기존에 알려진 방법은 없었고, 단지 고민하고, 찾아보며, 새롭게 시도해보는 수밖에 없었다. 단순히 걱정만 해서는 아무것도 해결할 수 없다는 것이 자명하였기 때문에 직접 몸을 움직여 끊임없이 시도하고자 하였고 결국 원하는 목표를 달성할 수 있었다. 

이번 성과는 물질의 굴절률을 조절할 수 있는 파장 범위를 가시광선, 근적외선까지 확장했다는 데 의의가 있다. 이를 위해서는 가시광선 파장(400-700nm)보다 휠씬 작은(~1/10 이하) 규칙적인 구조의 형성이 필요한데, 이러한 점에서 분자조립제어 나노기술이 매우 효과적이다. 또한 이렇게 구현된 굴절률이 5 이상을 가져, 빛을 제어할 수 있는 범위를 크게 높였다고 할 수 있으며, 기존의 광학 장치의 성능 향상이나, 새로운 광학 장치의 개발에 기여할 수 있을 것으로 여겨진다. 

 ○ Nature Publishing Group에서 발간하는 세계적인 저널로, Thomson JCR 2014년 기준 Impact Factor 11.47. 전 세계 복합 과학 분야 (Multidisciplinary sciences) 학술지 중 상위 5% 이내(3위/57개)에 해당한다. 

 ○ 자연계에 존재하지 않는 성질을 보일 수 있게 인위적으로 만든 새로운 물질

 ○ 일반적으로 진공에서의 빛의 속력 대비 특정 매질에서의 속력 값으로, 상세하게는 빛의 진행속도, 흡수, 굴절 등을 결정하는 중요인자.

 ○ 분자간의 힘을 이용하여 나노 미터 수준에서 원하는 모양 혹은 패턴을 제조할 수 있는 기술.

  

그림 1. 새로운 메타물질을 제조하는 공정에 대한 모식도. 블록공중합체 분자제어조립 기술을 이용하여 금속 나노 입자를 형성한 후, 이를 수축 필름 위에 전사시키고 열을 가해 수축필름의 크기를 1/3가량 줄여 금속나노입자 간 간격을 줄임.

그림 2. (좌) 수축공정을 실시하기 전 분자제어조립 기술을 통해 형성된 금속나노입자로 충분한 입자간 간격을 가지지만, 수축필름에 열을 가해 크기를 줄이게 되면 균일하게 (우) 매우 작은 사이 간격을 가지는 금속나노입자를 제조할 수 있음.

그림 3. 엘립소미터를 통해 가시광선/적외석 영역대에서의 메타물질의 굴절률 측정 결과로 특정 파장대에서 5이상을 보이며, 전체적으로 3 이상의 높은 굴절률을 광파장대에서 확인할 수 있음.