동식물의 다양한 생체를 모방, 첨단제품을 만드는 청색기술이 주목받고 있는 가운데 국내 연구진이 에메랄드 제비꼬리나비의 날개에서 착안한 새로운 개념의 다중이미지 디스플레이 기술을 개발했다.
이 기술을 활용하면 낮은 조도 환경이나 기상악화 등 까다로운 조건에서도 가시성 높은 인식 기능을 가진 생체모방 센서나 디스플레이에 활용가치가 높을 것으로 기대된다.
광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀은 에메랄드 제비꼬리나비(Papilio Palinurus))의 날개의 광학 구조를 모사해 관측 방향에 따라 변화하는 다중이미지 디스플레이 시스템을 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.
에메랄드 제비꼬리나비 날개는 여러 겹의 큐티클과 공기가 오목한 구조로 배열돼 있어 선명한 재귀반사 색상 유도가 가능하다는 점에서 착안한 시스템을 이미 나와있다. 재귀반사(Retroreflection)란 빛이 입사한 방향으로 되돌아 가는 방식의 반사 형태를 뜻한다.
하지만 기존의 연구들은 포토닉 크리스탈과 마이크로 반구 배열이 결합돼 있는 광학 구조 시스템을 주로 사용했다. 제조 과정이 매우 복잡하고 능동적이고 선명한 색상을 구현하는 데 한계가 있다는게 단점이다.
효과적인 재귀반사와 함께 선명한 색상 변화를 구현하려면 세심한 구조 디자인과 섬세한 빛-물질 상호작용에 대한 구조적 색상에 대한 이해가 필요하다.
이를 위해 마이크로 단위의 구면 내 외부의 굴절률 차이로 인한 전반사에 기반한 방법이 연구되고 있지만 비동축 조건에서만 무지갯빛 특성을 가지며 정확한 패터닝이 어렵다는 한계가 있었다.
GIST 연구팀은 이를 해결하기 위해 단순한 형태인 필름형 금속 층에 다공성 층을 추가해 선명한 무지갯빛 색상을 갖는 재귀반사 플랫폼을 구현하는데 성공했다. 기존 생체모방 재귀반사 플랫폼의 한계를 극복한 것이다
마이크로 오목 구조의 곡률에 의해 점진적인 다공성을 갖는 구조가 증착되며 이로 인한 유효 굴절률 차이는 재귀반사의 특성을 유지하면서 동축 및 비동축을 포함한 다양한 조명 및 관측 조건에서 선명한 무지갯빛 색상을 낸다.
연구팀은 특히 박막 증착 방법을 활용해 색을 구현하기 때문에 넓은 확장성을 가지며 다양한 패턴을 구현했다. 또 다공성 매질 층의 패턴을 서로 다른 각도에서 증착함으로써 관측 방향에 따라 변화하는 패턴을 가지는 양방향 디스플레이 구현에 성공했다.
송영민 교수는 "기존 생체모방 재귀반사 플랫폼에서 갖는 구조적 복잡성을 극복하고 다양한 조건에서 선명한 무지갯빛 색상을 보이는 시스템을 개발했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.
송 교수는 "앞으로 다기능적인 생체모방 센서나 높은 가시성을 지닌 수소센서, 다중이미지 디스플레이 분야에 응용 분야가 매우 넓을 것"이라고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 생물리학 분야 상위 2.1% 저널인 국제학술지 '바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics, IF: 12.6)'에 지난 2일 온라인 게재됐다.
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