광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학과 정현호 교수와 한국과학기술원(KAIST) 송영민 교수팀이 공동으로 전기 자극과 빛의 방향(편광)에 따라 색상을 정밀하게 조절할 수 있는 '카이랄(Chiral) 플라즈모닉 전기변색 메타표면'을 개발했어요.
이번 연구는 빛이 회전하는 방향에 따라 다른 색을 내는 '원형편광' 특성을 가진 빛에 반응하는 나선형 금 나노구조에 전압을 걸면 색이 바뀌는 전기변색 고분자를 결합해 기존 기술로는 어려웠던 넓은 색상 범위(눈에 보이는 색 대부분인 287나노미터(㎚)를 1볼트(V) 이하의 저전압으로 조절할 수 있다는 점이 특징이예요.
여기서 편광(polarization)이란 빛의 파동이 진동하는 방향이 일정하게 정렬된 상태를 말해요. 일반적인 자연광은 여러 방향으로 진동하지만, 편광 필터나 반사·굴절 등 특정 조건을 거치면 한 방향 성분만 남게 되어 편광이 형성됩니다. 이러한 편광의 특성을 이용하면, 물질의 구조적 비대칭성(카이랄성)에 따라 빛의 흡수나 반사 색이 달라지는 이색성(dichroism) 현상을 구현할 수 있어요.
전기변색 소자는 전압을 걸면 색이 변하는 기술로, 스마트 윈도우나 저전력 디스플레이 등에 활용돼요. 하지만 기존 기술은 색 변화 폭이 좁거나 고전압이 필요해, 한 픽셀 안에서 다양한 색을 구현하기 어려웠어요.
연구팀은 자연계에서 각도에 따라 색이 바뀌는 보석풍뎅이 등껍질 등 나선 구조의 '카이랄성(chirality)'에서 착안해 빛의 회전 방향(LCP/RCP)에 따라 색이 달라지는 '이색성'을 전기변색과 결합하는 새로운 접근법을 제안했어요.
금 기반의 나선형 나노구조체를 제작하고, 그 위에 전기변색 고분자 물질(PANI)을 균일하게 코팅해 전압 및 편광에 따라 투과색이 달라지는 카이랄 전기변색 메타표면을 구현한 거죠. 이 메타표면은 노광 공정 등 복잡한 미세가공 없이 대면적 기판에서도 손쉽게 제작할 수 있어 산업적 확장성이 높다고 해요. 한 번 전압을 가해 색을 바꾼 뒤에는 전기변색 물질의 메모리 특성으로 인해 전원을 끊어도 약 15분간 색상이 유지되는 비휘발성 메모리 효과를 보였어요.
연구팀은 이 메타표면을 4개의 픽셀로 구성한 광 논리 메모리 소자로 확장해, 전압과 편광의 조합만으로 162가지 색상 조합을 구현했어요. 이는 기존의 2진(binary) 논리를 넘어서는 3진(ternary) 광 논리 체계로, 고밀도 광 데이터 저장과 시각 정보 암호화 등 차세대 광 기반 정보처리 기술로 활용될 수 있는 가능성을 보여줬죠.
정현호 GIST 교수는 “이번 연구는 빛의 편광성과 전기 자극을 결합한 새로운 색 제어 방식을 도입한 사례로, 전력 소모가 낮고 색상이 선명한 차세대 광소자 패러다임을 제시했다”며 “향후 저전력·고해상도 야외 디스플레이와 광학 메모리, 보안 디스플레이 소자에 응용될 수 있다”고 설명했어요.
최정훈 기자 jhchoi@etnews.com