ETRI 메타물질 조절해 제작할 수 있는 원천기술 개발

제조공정과 소재 바꿔 전자기파 특성 조절
금과 은 이종 소재로 고온과 화학반응에도 안정성 확인

ETRI 연구진이 금-은 이종소재 메타물질에 대한 실험을 진행하고 있다. 좌로부터 홍성훈 박사 또는 선임연구원, 김수정 박사과정생.

실험에 사용한 기판과 용액(잉크) .

국내 연구진이 투명망토, 3D 홀로그램에 활용될 수 있는 혁신적인 인공소재인 메타물질의 특성을 쉽게 조절해 제작할 수 있는 핵심 원천소재 및 공정 기술을 개발하는 데 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 지난달 6일 미국화학회 나노분야 국제학술지인 응용재료 인터페이스 온라인에 특성 조절 플렉서블 메타물질 제작 기술이 게재됐다고 밝혔다.

메타물질은 자연에 있는 물질과 달리 구조나 배열형태에 의해 특성이 바뀌는 인공소재다. 메타물질의 구조를 바꾸면 물질 특성까지도 마음대로 조절할 수 있어 ICT 기기에 적용 시 그 성능을 크게 향상해 폭넓은 적용이 가능하다.

대표적으로 메타물질은 소형화, 경량화, 박막화가 가능하다. 이로써 고해상도 홀로그램 제작, 고집적 광회로 제작, 고해상도 디스플레이 제작, 고효율의 태양전지, 고민감도의 적외선과 광센서 제작에 널리 활용이 가능하고, 다양한 산업 및 군수 분야에서도 응용이 가능하다.

기존 메타물질은 일반적으로 금(Au)이나 은(Ag)을 통해 만들었다. 소재가 제한되면서 특성을 다양화하기 위해서는 구조를 변경, 사용함에 따라 물질 특성의 자유도 또한 한계가 있었다.

이에 연구진은 메타물질의 특성의 자유도를 높일 수 있는 기술을 개발했다. 즉 금과 은의 조성비를 달리해 소재를 제작하면서 메타물질의 물성을 조절하는 기술을 만들어 냈다.

유리 기판 위에 200㎚급의 은 나노입자로 이루어진 나노디스크 형태의 패턴을 제작한 후 갈바닉 치환공정을 통해 입자 하나하나를 금으로 쌓아 금과 은이 공존하는 메타 소재로 이루어진 메타물질을 제작하는 데 성공했다.

이때 금과 은의 비율에 따라 물성을 조절해 메타물질 흡수체를 제작할 수 있는 성능지수를 조건에 따라 0.7~0.2까지 낮췄다. 이는 기존 니켈 소재보다 3배 이상 낮은 수치다.

연구진은 상용화가 가능하도록 메타물질 제조 공정과 소재도 획기적으로 바꿨다. 용액공정 기반 기술을 대면적 나노 공정이 가능한 나노 임프린트 공정과 접목, 메타물질 제조에 있어 개선을 이뤘다. 용액에 넣거나 빼고 용액을 뿌리면 메타물질 제작이 가능하도록 만든 것이다. 이 방식은 메타물질 공정 시 온도를 낮추고 대면적 유연한 기판 위에서도 제조가 쉽다는 장점이 있다. 향후 플렉서블 소자에 메타물질 활용의 길을 열게 됐다.

홍성훈 ETRI ICT 소재연구그룹 박사는 “이 기술로 제작 가능한 메타물질 및 활용 범위가 다양해졌다. 향후 해당 기술을 응용해 보다 균일성을 높인 플렉서블 메타물질 제작 방법을 연구할 계획”이라고 말했다.
이해미 기자 ham7239@