태양전지·디스플레이·금속 예술·보석 등 다양한 분야에 활용 기대

금속에 반도체 물질을 코팅하여 고유의 색을 바꾸는 것이 가능해졌다. 이에 따라 첨단산업인 태양전지와 디스플레이 뿐 아니라 금속 예술이나 보석 등 다양한 분야에 활용이 기대되고 있다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 광주과학기술원 송영민 교수․대구경북과학기술원 장경인 교수 연구팀이 금속에 수 나노미터(nm : 10억분의 1미터)의 반도체를 다양한 각도에서 코팅하여 더 진하고 미세한 색 변화를 조절하게 되었다고 밝혔다.

연구팀은 금속에 반도체 물질을 수 나노미터 두께의 초박막으로 코팅하여 금속과 반도체의 표면에서 반사된 빛이 강한 박막 간섭을 일으켰다. 이를 통해 금, 은 등 금속의 고유색을 바꾸는 데 성공했다.

박막(thin film)은 기계가공으로 만들 수 없는 두께가 마이크로미터 이하인 얇은 막을 의미하며, 초박막은 이보다 더 얇은 두께의 막이다. 통상 수 내지 수십 나노미터 두께의 막을 초박막이라 한다.

박막 구조는 복수의 박막층으로 이루어진 구조를 의미하는데, 박막 간섭 효과(thin-film interference effect)란 각 박막층에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으키는 것이다.

금(gold) 위에 코팅하는 게르마늄 반도체의 초박막 두께에 따라 색이 달라진다는 기존 연구가 있었으나 색의 변화가 급격하고, 진하게 색을 입히기가 어려운 한계가 지적됐다.

연구팀은 금(gold) 표면에 빗각증착법을 사용하여 5~25 나노미터의 얇은 게르마늄 막을 입혔다. 그 결과, 게르마늄 코팅의 두께와 증착각도에 따라 노란색, 주황색, 파랑색, 보라색 등 다양한 색을 원하는 대로 만들어낼 수 있었다.

빗각증착법은 게르마늄층의 높은 복소 굴절률을 줄이기 위해 선택한 방법이다. 비스듬히 입사하는 방법으로 게르마늄에 작은 구멍을 많이 낸 다공성을 적용하면 복소 굴절률을 줄일 수 있다.

복소 굴절률 (complex refractive index)은 매질의 특성을 나타내는 단위가 없는 량으로, 복소수로 표현된다. 실수부는 매질로 빛이 진행할 때, 광속이 줄어드는 비율을 가리키며, 허수부는 매질 내에서 빛의 크기가 줄어드는 정도를 나타낸다.

다공성은 물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질을 뜻하며, 물질에서 구멍과 같이 비어있는 공간의 비율을 의미한다. 이 연구에서는 이를 초박막 구조의 매질에 적용하여 다양한 색을 구현한다.

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.

한편 이번 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단의 기초연구사업(집단연구)의 지원으로 수행되었으며, 나노분야 국제 학술지인 나노스케일(Nanoscale)에 게재되었다.