^*포토리소그래피: 포토마스크로 가리지 않는 부분만 빛(UV)을 쬐는 방식을 통해 원하는 부분의 고분자 필름을 패터닝할 수 있는 기술이다. 포토리소그래피를 이중으로 수행했을 경우 빛에 노출되는 횟수가 적을수록 유연 필름이 얇게 형성되어 그 위에 더 조밀하고 낮은 주름이 만들어진다.

[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

자연계의 다양한 동물들은 화학적 염료 기반의 색상이 아닌 표면의 반복적인 주기적 나노미터(10-9 m, 10억분의 1미터) 수준 크기의 구조와 빛의 상호작용에 의한 구조색1)을 사용하여 그 색상을 표현하곤 한다. 예를 들어 카멜레온은 주변 환경·다른 개체와의 상호작용에 따라 피부 표면 나노 구조의 간격을 변화시키는 것으로 몸의 색상을 바꾼다.

최근 카멜레온과 같이 그 구조색을 바꾸거나 혹은 구조색의 숨김과 발현을 제어할 수 있는 가변형 구조색 발현 기술들이 위조방지 분야에서 각광 받고 있다. 하지만 구조색을 형성하는 주기적인 나노 구조를 제작하는 데에는 긴 시간과 고가의 장비가 필요한 고도의 공정이 사용되고 있으며 구조색을 변화하기 위하여 추가적인 자외선 조사, 온습도 변화, 화학적 자극 등과 이를 위한 외부 장비가 필요하다는 한계가 있다.

본 연구팀은 외부 장치 없이 구조색의 숨김-발현을 제어할 수 있는 기술을 위하여 “나노 주름”에 주목하였다.

2.연구내용

주름이 형성되기 위해서는 다중층 구조에서 각 층의 재료 본연의 물성이 불일치해야하며 주름의 높이와 파장은 각 층의 두께, 영률2) 등에 의해 결정된다. 이때 형성된 주름의 높이가 수백 나노미터 수준이라면 빛이 주름에 의해 회절(Diffraction)3)하여 가시광선 영역의 구조색이 발현될 수 있고 그 색조는 주름의 파장에 따라 바뀐다.

본 연구팀은 다중층 필름이 굽힘에 의한 주름 및 구조색을 발현할 수 있는 유연·투명 고분자 기반 다중층 필름을 제작하는 데에 성공하였다 (그림 1).

이때 단일 필름상 여러 색조의 구조색을 발현시키기 위하여 다양한 파장을 갖는 주름이 형성되도록 이종(Heterogeneous) 두께의 광경화성 폴리머를 “픽셀화”하여 대면적 패터닝하는 이중 포토리소그래피3) 방식을 개발하였다(그림 2).

이를 통해 나노 주름의 파장을 800 ~ 2400 나노미터, 높이를 100 ~ 450 나노미터 수준으로 제어하는 데에 성공하였다. 추가로 단일 필름 내에서 다양한 크기의 주름을 동시에 형성하고 가시광선 영역 모든 색상의 구조색을 발현시키는 데에 성공하였다 (그림 3).

완성된 필름은 초기 투명한 상태에서 외부 장치 없이 손으로 굽히는 것만으로 그 표면에 픽셀 크기 약 40 마이크로미터의(10-6 m, 100만분의 1미터) 고해상도로 구조색 패턴을 발현시킬 수 있다. 포토 리소그래피 공정에 사용되는 포토 마스크4) 내부 패턴에 따라 디지털화된 임의의 구조색 패턴을 형성할 수 있어 QR 코드, 바코드 등의 정보 기입 패턴을 포함한 다양한 패턴을 발현할 수 있다.

본 연구팀은 한국의 전통 문양인 단청 패턴을 3가지 색상을 갖도록 제작하고 광학현미경과 전자주사현미경으로 각 픽셀의 주름의 크기가 제어되었음을 실증하였다(그림 4).

3.기대효과

개발된 나노 주름 기반 구조색 패턴 숨김-인식 가변형 필름은 위조방지 장치 뿐만 아니라 유연 전자소자와 결합되어 자극 감응형 스마트 디스플레이, 전자 종이 등으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 표면 나노 구조에 의한 빛의 회절을 구조색 발현 기작으로 사용하기 때문에 기존의 염료 혹은 발광 전자소자와는 다르게 시간이 지나도 색이 바래거나 발광 효율이 감소하지 않는다는 강점이 있다.

[붙임] 용어설명

1.구조색 (Structural Coloration)

염료(pigment, dye)에 의해 발현되는 일반적인 색이 아닌 마이크로~나노미터 크기의 구조에 의한 빛 간섭으로 발현되는 색상. 보는 각도에 따라 색이 달라지는 나비의 날개, 공작의 깃털, 카멜레온의 변색, CD 뒷면이나 물에 얇게 뜬 기름의 무지개색 등이 구조색의 예시이다.

2.영률 (Young’s Modulus)

어떤 물질이 얼마나 딱딱한지 혹은 잘 늘어 나는지를 공학적으로 수치화한 척도이다. 재료가 갖는 탄성(원래의 모양으로 돌아가려는 성질)을 측정한 값이다.

3.회절 (Diffraction)

빛, 소리 등의 파동이 장애물을 만나 입사된 각도로 반사되는 것이 아니라 일정한 각도를 갖고 퍼져나가는 현상. 파동의 성질 때문에 발생하는 현상이다.

4.포토 리소그래피 (Photo-lithography)

빛(주로 자외선)을 사용하여 미세한 패턴을 기판 위에 제작하는 공정. 광감응성 재료를 코팅하고 만들고자 하는 모양의 패턴으로 광 조사 후 제거할 부분을 현상하는 과정으로 이루어진다.

5.포토 마스크 (Photo Mask)

포토 리소그래피 공정에서 원하는 부분에만 광을 조사하기 위해 제작된 틀로 일종의 스텐실이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 굽힘 기반 숨김-인식 가변형 구조색 필름의 개요 굽힘에 의한 구조색의 발현과 해제를 표현한 모식도 (위), 주름에 의한 입사광의 회절을 표현한 모식도. 회절에 따른 빛의 간섭으로 특정색이 발현된다. (아래)

그림 2. 굽힘 기반 숨김-인식 가변형 구조색 필름의 제작 공정인 이중 포토 리소그래피의 모식도 UV(자외선) 노출 횟수에 따라 패턴 물질 필름의 두께가 달라지고, 이에 따라 주름의 조밀도와 높이를 조절할 수 있다. UV 노출 부위는 포토마스크 모양에 따라 바뀐다.

그림 3. 픽셀화된 구조색과 각 픽셀의 주름 크기 정량화 결과

그림 4. 임의의 패턴인 전통 단청 패턴을 사용한 구조색 필름의 구조색 발현한 모습과 각 구조색 픽셀의 광학 현미경, 전자현미경 사진. 노란색 박스를 확대한 모습을 보면 구조색 픽셀 구역의 경계(상단과 하단)가 패턴대로 잘 분할 된 것을 확인할 수 있다.