자연계엔 없는 '메타물질' 원천소재 기술 개발

한국전자통신연구원 "반도체→용액 공정으로 변경해 유연화"

ETRI 홍성훈 박사(오른쪽)와 김수정 박사과정생이 실험에 사용한 기판과 용액(잉크)을 들어보이고 있다. [ETRI 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 자연계에 없는 특성을 가진 메타물질은 학계의 높은 관심을 받는 분야다.

메타물질을 언급할 때 가장 빈번하게 나오는 기술은 투명망토다.

원래 양(+)의 방향으로 굴절되는 빛을 극단적으로 제어하고, 음(-) 또는 제로(0) 굴절률까지 구현하는 게 핵심이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 이 메타물질의 특성을 비교적 자유롭게 조절하면서도 기존보다 더 쉽게 제작할 수 있는 핵심 원천소재 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

메타물질은 일반적으로 금이나 은을 통해 만드는 것으로 알려졌다.

소재가 극히 제한돼 있어서 특성을 다양화하기 위해선 구조를 변경해야만 했다.

ETRI 연구진이 금·은 이종소재 메타물질에 대한 실험 후 결과를 확인하는 모습 [ETRI 제공=연합뉴스]

연구진은 메타물질을 제작할 수 있는 새로운 물성을 가지는 소재를 구현했다.

연구진은 유리 기판 위에 200㎚급 은 나노입자로 이뤄진 나노디스크 형태 패턴을 만들었다.

이후 산화환원 반응 공정(갈바닉 치환공정)을 통해 입자 하나하나를 금으로 쌓아, 금과 은이 공존하는 소재를 성공적으로 제작했다.

제작과정에서 금·은 비율에 따라 물성을 조절할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

금·은 이종 나노소재 기반 메타물질은 330도 이상 온도와 1％ 과산화수소 용액에 2시간 이상에 노출되는 환경에서 은 나노소재만 사용한 경우보다 열·화학적으로 안정적인 특성을 보였다.

실험에 사용한 기판과 용액(잉크) [ETRI 제공=연합뉴스]

그간의 용액 공정 기반 기술을 대면적 나노 공정이 가능한 나노 임프린트 공정으로 개선하는 성과도 얻었다.

용액에 넣고 빼거나 용액을 뿌리는 방식으로 메타물질을 만들 수 있다는 뜻이다.

이 방식은 공정에 필요한 온도가 낮은 데다 대면적 고분자 유연 기판 위에서도 편리하게 제조할 수 있다는 장점이 있다.

ETRI ICT(정보통신기술) 소재 연구그룹 홍성훈 박사는 "태양전지 플렉서블 전자소자나 광대역 태양에너지 흡수체 등 메타물질 제작 활용 범위가 다양해질 것으로 전망한다"며 "균일성을 더 높인 메타물질 제작 방법을 연구할 계획"이라고 말했다.

연구진은 이 기술을 3년 안에 산업체에 이전해 고해상도 반사형 디스플레이나 고효율 광전소자 등 상용화를 도울 방침이다.

ETRI 연구진이 금·은 이종소재 메타물질에 대한 실험을 진행하는 모습 [ETRI 제공=연합뉴스]

이번 연구는 과학기술정보통신부 가시광 파장용 나노결정 기반 3차원 저손실 메타 소재 개발 사업과 '3차원(3D) 포토 일렉트로닉스 원천기술 개발 사업의 하나로 진행했다.

성과를 담은 논문은 지난달 6일 미국화학회 응용재료 인터페이스(AMI)에 실렸다.

walden@yna.co.kr

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