초고굴절 투명 플라스틱 필름 개발 성공
초고굴절 투명 플라스틱 필름 개발 성공
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.16 15:30
  • 조회수 2124
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KAIST 생명화학공학과 임성갑 교수 연구팀이 서울대 차국헌 교수(화학생물공학부) 및 경희대 임지우 교수(화학과) 연구팀과 공동 연구를 통해 단 한 차례의 증착 반응을 이용해 1.9 이상의 고굴절률을 갖는 투명 플라스틱 필름을 제조하는 기술을 개발했습니다. 이번 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다. 

 

고성능의 고굴절 고분자 재료 확보 중요

 

굴절률이란 진공 상태에서의 빛의 속도와 어떤 물질에서의 빛의 속도의 비율로, 빛이 그 물질을 통과할 때 꺾이는 정도를 나타내는 척도입니다. 최근 모바일 기기 및 이미지 처리(imaging) 등에 사용되는 다양한 광학 부품의 소형화 추세와 함께 더욱 얇은 두께에서 많은 빛의 굴절을 유도하는 고굴절률 투명 소재의 수요가 급격히 늘어나고 있습니다.

 

고분자(플라스틱) 소재들은 특성이 우수하고, 다양한 형태로 쉽게 가공할 수 있다는 장점으로 인해 플라스틱 안경 렌즈 등과 같이 다양한 분야에 널리 활용되고 있습니다. 하지만 현재까지 개발된 고분자 소재 가운데 굴절률이 1.75를 넘는 재료는 극히 드물고 비싼 원료와 복잡한 합성 과정이 필요하며 무엇보다도 소재 관련 원천 기술의 대부분은 일본이 보유하고 있다는 데 문제가 있습니다. 따라서 기존 재료와 비교할 때 가볍고 저렴하며 자유자재로 가공할 수 있는 광학 소자 부품 제작을 위해서는 고성능의 고굴절 고분자 재료 확보가 매우 중요합니다.

 

초고굴절 투명 플라스틱 필름 개발

기체 상태 황을 공중합하여 고굴절 박막을 제조하는 방법의 모식도. 출처: KAIST
기체 상태 황을 공중합하여 고굴절 박막을 제조하는 방법의 모식도. 출처: KAIST

KAIST-서울대-경희대 공동 연구팀은 단 한 차례의 화학 반응만으로 1.9 이상의 굴절률을 가지면서도 투명도가 우수한 새로운 형태의 고분자 박막 제조 기술을 개발하는 데 성공했습니다. 공동 연구팀은 원소 상태의 황이 쉽게 승화한다는 점을 이용, 기화된 황을 다양한 물질과 중합하는 방법을 적용해 고굴절 고분자를 제조했습니다. 이 방법으로 지나치게 긴 황-황 사슬의 형성을 억제하는 한편 높은 황 함량에서도 우수한 열 안정성과 동시에 가시광선 전 영역에서 투명한 비결정성 고분자를 만드는 개가를 올렸습니다. 연구팀은 기상 반응의 특성 때문에, 실리콘 웨이퍼나 유리 기판뿐만 아니라, 미세 요철 구조가 있는 다양한 표면에도 표면 형상 그대로 고굴절 박막을 코팅할 수 있다는 점과 함께 1.9 이상의 굴절률을 갖는 고분자를 세계 최초로 구현하는 데 성공했습니다.

이번 연구에서 합성된 박막의 파장별 굴절률과 흡광도(좌) 및 확보된 재료들의 다양한 두께와 굴절률 분포(우). 출처: KAIST
이번 연구에서 합성된 박막의 파장별 굴절률과 흡광도(좌) 및 확보된 재료들의 다양한 두께와 굴절률 분포(우). 출처: KAIST

이 기술은 고 굴절 플라스틱 소재 원천기술의 국산화와 더불어, 디스플레이의 밝기 향상을 위한 표면 코팅 재료, 디지털카메라 센서용 마이크로 렌즈 어레이 등 얇은 두께와 높은 굴절률, 우수한 가공성 등이 요구되는 최신 IT 기기 분야에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대가 큽니다.  

이번 연구에서 합성된 초 고굴절 고분자의 두께별 사진(좌측부터 7개)과 기존 황 기반 고분자(SDIB)의 사진. 짙은 노란색을 띠는 기존의 황 고분자와 달리, 이번 연구에서 확보된 재료들은 매우 뛰어난 투명성을 보인다. 출처: KAIST
이번 연구에서 합성된 초 고굴절 고분자의 두께별 사진(좌측부터 7개)과 기존 황 기반 고분자(SDIB)의 사진. 짙은 노란색을 띠는 기존의 황 고분자와 달리, 이번 연구에서 확보된 재료들은 매우 뛰어난 투명성을 보인다. 출처: KAIST

이번 연구에 교신저자로 참여한 경희대학교 임지우 교수는 "기체 상태의 황을 고분자 제조에 이용한다는 발상의 전환이 초 고굴절, 고 투명성 고분자 박막 제조기술의 원천이 됐다"며 "향후 고굴절 소재뿐만 아니라 평면 렌즈, 메타 렌즈 등으로 대표되는 차세대 초경량 광학 소재를 구현하는데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했습니다. 


##참고자료##

 

 


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