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서강대학교 기계공학과 박정열 교수_카멜레온처럼 색 변하는 전고체, 한 단계 성장한 위장막 선물하다

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[첨단 헬로티] 

 

전기 자극으로 실시간 색 변하는 전고체 유연 소재 개발

카멜레온이나 문어의 색이 변하듯이, 별도의 염료 없이 스스로 색이 변화하는 전고체 상태의 소재가 개발됐다. 서강대학교 박정열 교수 연구팀은 최근 전기 자극을 통해 능동적으로 실시간 색이 변하는 전고체 유연 소재를 개발했다고 밝혔다.


▲ 서강대학교 기계공학과 박정열 교수


카멜레온이나 문어는 피부색을 바꾸기 위해, 피부 속 광결정 구조의 간격을 조절한다. 광결정은 특정 파장의 빛만 반사시키는 구조로써, 광결정 구조의 간격에 따라 반사시킨 빛의 색깔이 다르다. 이러한 자연계의 광결정 기반 색변화를 모사하려는 연구가 많은 관심을 받고 있다.


하지만 광결정 구조의 색을 변화시키기 위해 기존 기술들은 전해질, 액정, 용액 등 액체 환경이 필요했다. 이에 플렉서블 형태로 구현하기 어렵고, 외부의 충격이나 환경 변화에 취약한 한계가 있다.


박정열 교수 연구팀은 고체로만 이루어진 소재에서 색이 변화하도록 제작하여 기존 액체 환경으로 인한 기술적 한계를 돌파했다. 개발된 소재에는 나노미터 규모의 유전탄성체 기반 소프트 액추에이터가 도입되어, 전기 자극에 따라 광결정 구조 간의 간격이 제어되면서 색이 변화된다.


개발된 소재는 빨간색부터 청록색까지 다양한 색상 변화가 가능하다. 또한 한번 변화되면 본래의 상태로 되돌아가지 않으려 하는 히스테리시스 현상이 적고, 장기간 매우 안정적으로 작동했다. 특히 광결정 구조가 유연한 고체 필름 형태로 개발되어, 3차원의 굴곡 표면에서도 거뜬히 능동적인 색변화를 보인다. 



박정열 교수는 “이 연구는 고분자 화합물 내 광결정 구조체의 간격을 제어해 능동적으로 색이 변하는 기술을 개발한 것”이라며, “눈부심 없이 읽을 수 있는 둘둘 말아서 보관하는 전자종이(rollable e-paper), 야외 광고게시판, 색을 바꿀 수 있는 자동차나 옷, 군사용 위장막 등 무수한 새로운 영역에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.


이 연구는 한국연구재단 기초연구사업(기초연구실)(과학기술정보통신부 소관), 학제간융합연구지원사업(교육부 소관)의 지원으로 수행되었다. 광학/재료분야 국제학술지 어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials) 10월 21일 게재되고, 12월 3일 발간될 표지논문(back cover)으로 선정되었다. 


▲ 이번 연구 성과는 국제학술지 어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced

Optical Materials) 표지논문(Back Cover)으로 선정됐다.


다음은 연구내용에 대한 일문일답


Q. 연구를 시작하신 계기가 궁금합니다.

우리 연구팀은 이전에 습도에 따라서 색이 변하는 헤라클레스 장수풍뎅이의 등껍질을 모사하여 나노 입자를 이용한 광결정을 제작하고 습도센서로 응용하여 발표한 바가 있습니다. 추후 이러한 광결정 이용하여 휘발성 유기화합물질(VOCs), 단백질 또는 박테리아를 검지 할 수 있는 색변화 센서를 개발했습니다. 이러한 기술들을 바탕으로 이번 연구에서는 카멜레온의 색변화 원리가 광결정 구조의 간격을 능동적으로 제어하는데 있음을 착안하여, 전압의 인가에 의해 능동적으로 광결정 구조의 간격을 제어할 수 있으면서도 안정적으로 어디에서나 사용가능한 유연한 소재 개발을 연구하게 되었습니다.


Q. ‌이번 연구 성과의 의미에 대해 말씀 부탁드립니다.

기존에도 전기 자극에 의해 가시광선의 색변화를 보이는 광결정 구조에 대한 연구는 선보인 바가 있습니다. 그러나 특정 유체 환경 내에서만 작동 가능하여, 공정방법이 복잡하고, 패키징 문제 뿐만 아니라 외부 충격이나 환경 변화에 취약합니다. 더군다나 유체 내 작동환경은 유연한 형태로의 개발이 매우 어렵기 때문에 굴곡진 표면에서의 작동은 거의 불가능합니다. 이 연구에서는 전고체 상태의 유연한 필름 형태로 개발되어 안정적이고 신뢰성 있는 실시간 제어가 가능할 뿐만 아니라, 굴곡진 표면에서도 색변화가 가능합니다.


Q. 이번 연구 성과가 실용화 된다면 어떻게 활용될 수 있을까요?

발광형 디스플레이와는 달리 눈부심 없이 읽을 수 있는 rollable e-paper, 야외 광고게시판, 색을 능동적으로 바꿀 수 있는 자동차나 옷, 주위환경에 따라 색을 바꿀 수 있는 군사용 위장막 등과 같이 무수한 새로운 영역에 활용될 수 있습니다.


Q. 앞으로의 계획이 궁금합니다.

현재는 색변화를 위해 유전탄성체 기반 액츄에이터를 작동시키기 위해서는 다소 높은 전압과 함께 사전에 액츄에이터에 일정 힘을 인가해야 하는 문제점이 있습니다. 추후 이를 해결하기 위한 유전탄성체 기반 액츄에이터에 대한 새로운 재료 개선 연구를 진행하고 있으며, 이게 성공적으로 진행된다면, 낮은 전압에서 사전에 인가하는 힘없이도 작동 가능한, 보다 실용화에 용이한 위장막 개발이 가능하리라 예측합니다. 









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