금속, 더 다양한 색옷을 입다

(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 0〫, 30〫, 45〫,70〫에 각각 매칭된다. 

□ 금(gold), 은, 알루미늄의 고유색을 바꿀 수 있을까? 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.

(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.

□ 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.

(왼쪽부터) GIST 송영민 교수, DGIST 장경인 교수, GIST 유영진 석사과정생

□ 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.     <끝>

한국연구재단