시사위크=박설민 기자  국내 연구진이 카멜레온의 피부처럼 색상의 물리적 변화가 가능한 나노 3D프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다. 차세대 투명 디스플레이 및 가상·증강현실(VR·AR)장치 구현에 큰 보탬이 될 것으로 기대된다.

표재원 한국전기연구원(전기연) 스마트 3D프린팅 선임연구원팀은 빛의 경로 제어가 가능한 3차원 구조의 회절격자를 나노 3D프린팅 기술로 구현하는데 성공했다고 7일 밝혔다. 이는 자연에서 관찰되는 ‘구조색(structural color)’의 원리를 첨단 디스플레이 기술에 활용할 수 있는 신기술이다.

빛은 나노미터(㎚) 단위의 미세구조(머리카락 100~1,000분의 1 수준 굵기)를 만나면 회절이 일어나 경로가 꺾인다. 이때 빛이 부딪히는 미세구조에 따라 특정 파장의 빛만 반사가 일어날 수 있다. 이를 ‘구조색’이라 부른다. 자연에서 나타나는 구조색의 대표적 예는 카멜레온의 피부, 공작새의 깃털 등을 꼽을 수 있다. 구조색 원리를 사용하면 색상이 실시간 변화하는 디스플레이 기술 등을 구현할 수 있으나, 아직까지 이에 관한 연구 성과는 거의 없는 실정이다.

이에 전기연 연구팀은 구조색을 정교하게 제어할 수 있는 ‘회절격자(diffraction grating)’를 나노 3D프린팅 기술로 새롭게 고안했다. 회절격자는 빛의 회절 제어를 목적으로 회절체의 미세구조를 규칙적으로 배열시킨 장치다. 여기에 빛을 비추면 파장에 따라 빛이 다른 경로로 반사돼 구조색이나 스펙트럼이 발생된다. 

세계최고 수준의 나노 3D프린팅 기술을 보유한 전기연에서는 ‘수평 인쇄(Lateral printing)’라는 새로운 접근방법으로 고밀도의 나노선 회절격자를 인쇄하는 데 성공했다. 그 다음 성능 테스트를 진행한 결과, 3D프린팅 기술을 활용해 빛을 제어해 염료 없이 자연의 아름다운 구조색을 정밀하게 구현할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 이번에 개발한 회절격자가 첨단 디스플레이 분야에 활용처가 많을 것으로 기대하고 있다. 특히 회절격자 자체의 투명성 덕분에 스마트 창문이나 거울, 자동차의 헤드업 디스플레이 등 미래형 투명 디스플레이 분야에 활용될 것으로 예상된다. 또 핵심 구성요소로 이미 회절격자를 활용하고 있는 증강현실(AR) 장치에도 적용 가능하다. 원천기술의 특허 출원을 완료한 전기연은 이번 성과가 디스플레이 관련 기업들의 많은 관심을 받을 것으로 보고, 수요 기업을 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.

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

이번 연구 성과는 ‘미국 화학회(American Chemical Society)’가 발행하는 재료과학 분야 SCI급 국제학술지인 ‘ACS Nano’에 7월 25일자 표지논문으로 게재됐다.