물체의 광택을 제어하는 메타물질

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모든 생명체 그리고 기술 분야에서 물체가 시각적으로 어떻게 보이는지는 매우 중요합니다. 시각적 인지는 동물 혹은 사물체의 매력을 결정하는데, 새, 곤충, 꽃 등이 다채로운 색을 갖는 것도 그 이유에서 입니다. 또한 예로부터 사람들은 반짝이는 금속 장신구, 금박을 입힌 옷, 식기, 무기, 잔 등에 매료되어 왔습니다. 다채로운 색상과 반짝이는 빛 반사율을 지닌 보석도 그 예입니다. 최근에는 자동차의 이펙트 코팅이 인기를 끌고 있습니다. 같은 색상을 사용하더라도 광택이 있느냐 없느냐에 따라 시각적 속성은 크게 달라집니다.

나노 구조 설계를 통한 색상 얻기, 그리고 메타물질

최근 재료 과학의 발전에 따라 나노 구조를 설계하여 색상을 만들어내는 기술(이하: 구조 색상)이 많이 발전했습니다. 이 기술은 일반적인 염료의 빛의 선택적 흡수에 의해 어떤 색을 띠는 것이 아니라 나노 구조의 산란 및 간섭 현상에 의해 색이 결정되는 것입니다. 이렇게 만들어진 구조 색상은 퇴색되지 않으며 전통적인 착색 방법을 대체하는 환경 친화적 기술이 될 수 있습니다. 연구자들은 무염료 색소를 설계하고, 살아있는 박테리아와 적응형 카멜레온에서 영감을 받은 구조 색상을 탐구했으며, 종종 자연에서 나타나는 색 현상을 모방해왔습니다. 하지만 이러한 초기 연구는 주로 색상에 초점을 맞추었을 뿐 광택 반사율 또는 확산 산란과 같은 시각적 인지의 다른 중요한 측면은 연구되지 않았습니다. 최근 Nature Materials에 발간된 연구에서, 연구팀은 서브파장 스케일로 표면을 설계하여 물체의 전체 시각적 외관을 제어하는 방법을 선보였습니다. 연구팀은 금속 및 유전체 나노 구조를 사용하여 서브파장 스케일로 표면을 패턴화하여 얻은 인공 광학 재료인 메타 표면의 개념을 사용했습니다.

 

 

메타물질을 사용한 광택 제어의 원리

연구팀은 양방향 반사율 분포 함수(BRDF, bidirectional reflectance distribution function)를 사용하여 표면의 시각적 외관을 특성화하였습니다. BRDF는 컴퓨터 그래픽 분야 뿐만 아니라 원격 감지나 천체 측광과 같은 다른 분야에서도 널리 사용되는 개념입니다. 분광 분해된 BRDF는 주어진 방향에서 반사된 복사 플럭스와 다른 방향에서 입사된 복사 플럭스의 비율을 측정합니다. 반사율의 단순한 파장 스캔과는 달리, BRDF는 확산 반사 및 경면 반사 같은 현상을 포괄적으로 정량화할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 환경에서 다양한 물체의 색상과 외관을 예측할 수 있게 해 줍니다.

연구팀은 메타 표면의 시각적 외관을 설계하고 최적화할 수 있습니다. 모델링된 메타 표면은 은(Ag) 또는 실리콘(Si)으로 이루어진 단층 나노 입자로 구성됩니다. 이 나노 입자는 가시광선에 대한 공명 산란 조건과 일치하도록 100 nm 내지 200 nm의 직경을 갖도록 설계되었습니다. 이와 더불어 나노 입자의 공간적 구조 설계를 통해 시각적 외관에 대한 추가적인 제어를 합니다. 이로 인해 연구팀은 반사율의 스펙트럼 및 확산 성분의 색상을 준독립적으로 제어할 수 있습니다. 연구팀은 시뮬레이션으로 제시한 개념을 실험적으로 증명했습니다. 실리콘 리소그래피 기술을 사용하여 실리콘 나노 디스크로 실리카(SiO2) 기판을 패턴화했습니다. 여기에서 나노디스크는 산란 입자로 작용합니다. 실험 결과는 수치 계산에 의해 예측된 '확산-헤일로' 효과를 증명해냈습니다.

응용 분야 및 가능성

연구팀의 이 새로운 연구 결과를 이용하면 복잡한 표면의 광학 특성에 대한 다중 스케일 모델링을 위한 플랫폼을 구축할 수 있습니다. 또한, 간단한 설계를 통해 최소한의 독립 변수를 이용해 색상 및 광택을 제어할 수 있게 합니다. 또한, 연구 결과는 구조적 상관 관계를 이용하여 수직 반사를 제어하는 방법을 보여줍다. 여기서 연구된 메타 표면의 산업적 대규모 적용은 아직은 비현실적입니다. 하지만 롤 투 롤 증착(roll-to-roll diposition)과 같은 방법을 사용한다면 가까운 미래에 응용 가능성이 있는 것으로 생각됩니다.

 

* 원본 기사: https://www.nature.com/articles/s41563-022-01341-y

* 논문 보기: https://www.nature.com/articles/s41563-022-01255-9