일부 나비는 무늬와 색상을 통해 효과적으로 의사소통을 하는 것으로 알려져 있다. 특히 제비꼬리나비는 보는 각도에 따라 색이 달라지는 오묘한 에메랄드빛을 내는 날개를 갖고 있다.
에메랄드 제비꼬리나비의 날개는 여러 겹의 큐티클과 공기가 오목한 구조로 배열돼 있어 선명한 재귀반사 특성을 낸다.
재귀반사(Retroreflection)란 빛이 어느 방향에서 어느 각도로 들어오더라도 빛을 내는 방향으로 빛을 반사하는 특성을 말한다.
제비꼬리나비의 이같은 특성에서 착안한 청색기술로 관측 방향에 따라 자유자재로 이미지가 바뀌는 다중이미지 디스플레이 시스템이 광주과학기술원(GIST) 연구팀에 의해 개발됐다.
GIST 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀은 기존의 비동축 조건에서만 무지갯빛 특성을 갖는 생체모방 재귀반사 플랫폼의 한계를 극복한 생체모방 디스플레이를 개발하는데 성공했다고 20일 밝혔다.
연구팀은 단순한 구조의 초박막 재귀반사 플랫폼을 활용, 보는각도에 따라 이미지가 달라지는 기술을 개발, 저조도(low-light) 환경 등 까다로운 조건에서도 가시성 높은 인식 기능을 가진 생체모방 센서나 특수 디스플레이에 활용될 수 있다고 설명했다.
연구팀에 따르면 기존의 연구들은 포토닉 크리스탈과 마이크로 반구 배열이 결합돼 있는 광학 구조 시스템을 주로 사용한다. 이에 따라 제조 과정이 복잡하며, 능동적이고 선명한 색상을 구현하는 데 한계가 따른다.
특히 효과적인 재귀반사와 함께 선명한 색상 변화를 구현하려면 세심한 구조 디자인과 섬세한 빛-물질 상호작용에 대한 구조적 이해가 필요하다.
이를 위해 많은 연구팀들이 마이크로 단위의 구면 내 외부의 굴절률 차이로 인한 전반사에 기반한 방법을 연구하고 있다. 하지만 기존 연구는 비동축 조건에서만 무지갯빛 특성을 가지며 정확한 패터닝이 어렵다.
GIST 연구팀은 이를 해결하기 위해 단순한 형태인 필름형 금속층에 다공성층을 추가해 선명한 무지갯빛 색상을 갖는 재귀반사 플랫폼을 구현하는데 성공했다.
연구팀은 마이크로 오목 구조의 곡률에 의해 점진적으로 다공성을 갖는 구조가 증착되며 이로 인한 유효 굴절률 차이로 재귀반사의 특성을 유지하되, 동축 및 비동축을 포함한 다양한 조명 및 관측 조건에서 선명한 무지갯빛 색상을 내는 기술을 확보했다.
특히 박막 증착 방법을 활용해 다양한 색을 구현하기 때문에 장차 확장성이 넓고 여러종류의 패턴을 만들어낼 수 있다는게 강점이다.
연구팀은 또 다공성 매질 층의 패턴을 서로 다른 각도에서 증착함으로써 관측 방향에 따라 변화하는 패턴을 가지는 양방향 디스플레이를 구현하는데 성공했다.
그런가하면 실제 응용 분야에서 범용성을 높이기 위해 색 구현 층의 광학 특성을 사용 목적에 맞게 디자인할 수 있는게 차별점이다.
연구를 주관한 송영민 교수는 “기존 생체모방 재귀반사 플랫폼의 구조적 복잡성을 극복하고, 다양한 조건에서 선명한 무지갯빛 색상을 낸다는 점에서 의미가 크다"면서 향후 다기능 생체모방 센서 및 디스플레이 분야에 널리 응용될 수 있을 것"으로 기대했다.
송 교수는 또 "무엇보다 다중 이미지를 가지는 양방향 디스플레이에서 나아가 픽셀화된 색상 조정이 가능한 재귀반사 디스플레이로의 발전 가능성 등 확장성이 매우 뛰어나다"고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견사업, 미래기술연구실사업, 세종과학펠로우십, GIST-MIT AI융합 국제협력사업, GIST GRI사업 및 International Technology Center Indo-Pacific(ITC IPAC)의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 생물리학(biophysics) 분야 저명한 국제학술지인 ‘바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics, IF: 12.6)에 지난 2일 온라인 게재됐다.
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