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Intro 우리 대학 신소재공학과 전석우 교수, 신종화 교수와 건설 및 환경공학과 홍정욱 교수 연구팀이 정렬 3차원 나노 네트워크에 기반한 신축성 나노복합체를 이용하여 세계 최고 수준의 가시광 투광성 성능 (투광성 조절: 90% - 16%)과 높은 안정성을 갖는 광학필름 구조 제시 및 이의 대면적화 기술을 개발하였다.

이 기술은 얇은 필름 형태로 사물인터넷 기술과 융합되어, 외부 조도 환경에 스스로 반응하여 투광성 조절이 가능한 에너지 절감형 스마트 윈도우로 응용이 가능하다. 뿐만 아니라, 롤 페이퍼 타입의 빔 프로젝터 스크린 응용 등 감성 혁신적인 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다.

조동휘 박사과정 학생과 심영석 교수가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Adv. Sci., Advanced Science)’ 04월 26일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: High-Contrast Optical Modulation from Strain-Induced Nanogaps at Three-Dimensional Heterogeneous Interfaces) 
Principal Investigator Prof. Jeon, Seokwoo 
Date 2020-05-04 

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<왼쪽 뒤부터 시계방향으로 홍정욱 교수, 전석우 교수, 이상언 박사, 조동휘 박사과정>

 

최근 제로 에너지 빌딩, 스마트 윈도우, 사생활 보호 등 에너지 저감/감성 혁신 응용에 대한 관심이 급증함에 따라, 능동형 광학 변조 기술이 각광 받고 있다. 기존 외부 자극 (전기//빛 등)을 이용한 능동형 광학 변조 기술은 느린 반응속도, 불필요한 색변화 동반, 낮은 안정성 등의 문제점이 지적 받고 있다.

 

비교적 간단한 구동 원리와 낮은 에너지 소비로 효율적으로 투광성을 제어할 수 있는 대안 기술로서, 신축 변형을 이용하는 광학 변조 기술이 집중 받고 있다. 그러나 기존 연구에서 보고된 광 산란 제어를 유도하는 구조는 대부분 광학 밀도가 낮은 2차원 표면 구조에 기반하여, 낮은 투광성 변화 폭 그리고 외부 환경에 쉽게 영향을 받고 물 등 외부 매질과의 인접할 때 굴절률이 일치됨에 따라 광학 변조 기능을 잃는 문제를 가지고 있다. 또한, 비정렬 구조에 바탕을 두고 있기 때문에 광학 변조 특성이 균일하지 못하여 대면적화에 취약한 문제가 있다.

 

연구팀은 정렬된 3차원 나노구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝 (PnP, Proximity-field nanopatterning) 기술과 산화물 증착을 정교하게 제어할 수 있는 원자층 증착법 (ALD, Atomic layer deposition)을 이용하여 주기적인 3차원 나노쉘 (nanoshell) 구조의 알루미나 (alumina)가 약 500 um 두께의 탄성중합체에 삽입된 신축성 3차원 나노복합체로 이루어진 광학 필름을 대면적으로 (3인치 x 3 인치 스케일) 제작하였다.

 

재료역학적/광학적 이론 해석을 바탕으로 산화물/탄성중합체 이종계면에서 발생하는 광 산란 현상 메커니즘을 규명하였으며, 세계 최고수준의 가시광 투과율 조절 범위인 약 74% 조절을 달성하였다. 동시에, 높은 내구성 및 안정성: 반복 구동 시험 (10,000), 거친 변형 (굽힘/뒤틀림), 온도가 증가된 환경에서의 구동 (70도 이내), 안정적 수중 구동 특성을 확인하였다.

 

전석우 교수는 얇은 필름 형태이기 때문에 별도의 부품 교체 없이 기존 창호 시스템에 호환되어 투광성 조절이 가능한 에너지 절감형 스마트 윈도우와 사생활 보호, 위장막 응용 등에 활용이 가능할 것으로 기대한다라고 말했다.

 

이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 다부처 공동사업과 글로벌 프론티어 사업, 그리고 이공분야기초개발사업의 지원을 통해 수행 되었다.

 

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그림 1. (a) 근접장 나노패터닝과 함침공법을 이용하여 제작된 정렬 다공성 3차원 탄성중합체 (Polydimethylsiloxane, PDMS), (b) Al2O3를 이용한 3차원 PDMS의 표면 코팅 이후, (c) 다시 PDMS로 기공을 채운 나노복합체의 모식도 및 전자주사 현미경 이미지. (d) 굴절률이 일치되어 투명한 상태의 신축성 광학 필름, (e) 인장시 발생하는 이종계면에서의 공극의 광학 산란 현상을 이용한 불투명 상태의 신축성 광학 필름.

 

 

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그림 2. (a) 광학 필름을 이용한 외부 조도 환경에 스스로 반응하는 에너지 절감형 스마트 윈도우 동작 예시. (b, c) 빔 프로젝터용 월페이퍼 타입 스크린 응용 예시. (b) 인장 전 광학 필름의 투명 상태, (c) 인장 후 불투명 상태에서의 빔프로젝터 스크린 응용.