한국과학기술원(KAIST), 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절이 가능한 능동형 광학 필름 개발
빛 투과율 16~90% 조절...에너지 절감형 스마트 윈도우로 활용
등록일 : 2020년06월12일 14시58분
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연구팀은 정렬된 3차원 나노 네트워크에 기반을 둔 신축성 나노 복합체를 이용해 가시광 투과율을 최대 90%에서 16%까지 조절 가능한 넓은 면적의 광학 필름 제작에 필요한 원천기술을 확보했다. 약 74%의 범위를 갖는 이는 평균적으로 46%의 범위를 가졌던 기존 2차원 필름의 수준을 훨씬 뛰어넘는 세계 최고 수준의 기술이다.
최근 제로 에너지 빌딩, 스마트 윈도우, 사생활 보호 등 에너지 저감과 감성 혁신 응용에 대한 관심이 급증하고 있다. 능동형 광학 변조 기술이 주목받고 있다. 기존 외부 자극(전기, 열, 빛 등)을 이용한 능동형 광학 변조 기술은 느린 반응속도와 불필요한 색 변화를 동반하고 낮은 안정성 등의 이유로 선글라스, 쇼케이스, 광고 등 매우 제한적 분야에 적용돼 왔다.
에너지 효율적 신축 변형을 이용한 광학 변조 기술은 비교적 간단한 구동 원리와 낮은 에너지 소비로 효율적으로 투과율을 제어할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그동안 학계와 관련 업계에서 집중적 관심을 받아왔다.
기존 연구에서 보고된 광 산란 제어를 유도하는 구조는 대부분 광학 밀도가 낮은 2차원 표면 구조에 기반하기 때문에 좁은 투과율 변화 범위를 갖고, 물 등 외부 매질과 인접할 때 광학 변조 기능을 잃는 문제가 있었다. 특히 비 정렬 구조에 바탕을 두고 있어 광학 변조 특성이 균일하지 못해서 넓은 면적으로 만들기도 힘들다.
연구팀은 정렬된 3차원 나노구조 제작에 효과적 근접장 나노패터닝(PnP, Proximity-field nanopatterning) 기술과 산화물 증착을 정교하게 제어할 수 있는 원자층 증착법(ALD, Atomic layer deposition)을 이용했다. 이에 주기적 3차원 나노쉘(nanoshell) 구조의 알루미나(alumina)가 탄성 중합체에 삽입된 신축성 3차원 나노복합체 필름을 현존하는 광학 변조 필름 중 가장 큰 면적 ‘3인치×3인치’ 크기로 제작하는 데 성공했다.
광학 필름을 약 60% 범위에서 당겨 늘리는 경우 산화물과 탄성 중합체의 경계면에서 발생하는 수없이 많고 작은 구멍에서 빛의 산란 현상이 발생한다. 연구팀은 이를 이용해 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절 범위인 약 74%를 달성했다.
동시에 1만 회에 걸친 반복적 구동 시험과 굽힘·뒤틀림 등 거친 변형, 섭씨 70도 이내 고온 환경에서의 구동, 물속에서의 구동 특성 등을 확인한 결과 높은 내구성과 안정성을 확인했다. 이와 함께 재료역학적?광학적 이론 해석을 바탕으로 경계면에서 발생하는 광 산란 현상 메커니즘도 규명하는 데 성공했다.
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