[습도에 따라 색상과 이미지 바꾸는 디스플레이 기술 개발]

기계.화공.전자 노준석교수, 화공 이효민교수, 윤종선 박사, 통합과정 정충환 씨 연구팀이 광(光) 반응성 고분자를 활용해 습도에 반응하는 다중 이미지 디스플레이 기술 개발에 성공했다. 이번 연구는 과학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다.

구조색(structural color)은 물질의 구조와 빛 사이의 상호작용을 통해 생성되는 색을 말한다. 나비의 날개에서 빛이 반사될 때 다양한 색상이 나타나는 것이 그 대표적인 예다. 일반적인 염료나 안료와 달리 구조색은 열과 화학물질에 강하며 에너지 효율과 내구성이 뛰어나면서 독성이 없어 차세대 친환경 디스플레이로서 학계와 산업의 주목을 받고 있다.

그러나, 구조색 기술 개발의 큰 걸림돌은 정보를 표현하는 데 제약이 있다는 것이다. 특정한 구조색을 나타내는 구조가 물질의 표면이나 내부에 형성되면, 이 구조가 변하지 않는 한, 설계된 색상과 이미지를 바꿀 수 없기 때문이다. 최근 습도와 같은 주변 환경의 자극을 이용하여 색상을 조정하려는 연구가 진행되고 있으나, 색상을 바꾸는 것은 가능하더라도 여러 이미지를 표현하기는 어려웠다.

이효민 · 노준석 교수 공동 연구팀은 ‘카르복시메틸 셀룰로오스(이하 CMC^*1)’에 아자이드 그룹(azide group^*2)을 도입함으로써 기존 구조색 기술의 한계를 극복했다. 아자이드 그룹은 자외선 노출 시 교차결합을 유도하여 CMC로 이루어진 하이드로겔 박막을 원하는 영역에 원하는 두께로 패터닝할 수 있도록 할 뿐만 아니라 습도에 따른 팽창 · 수축 정도를 조절해 다양한 색상을 표현할 수 있게 한다.

연구팀은 디스플레이를 구성하는 마이크로미터 규모의 각 픽셀의 화학적 팽윤 특성과 기하학적 두께를 동시에 제어함으로써 각 습도 조건에 따라 다중 이미지를 표현할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 예를 들어, 습도가 85%일 때는 A 사이트로 연결되는 QR코드가 활성화되고, 습도가 더 증가해 95%에 도달하면 A가 아니라 B 사이트로 이어지는 QR코드로 바뀌도록 설계할 수 있다. 특정한 조건에서만 정보를 선택적으로 공개함으로써 보안성을 높일 수 있게 된 것이다.

 

이효민 교수는 “팽윤 특성과 광학적 특성을 접목하여 지금까지 볼 수 없었던 습도 감응 디스플레이 기술을 개발했다“라며 이번 연구의 의의를 전했다. 또한, 노준석 교수는 “연구팀의 기술은 정보 보호 및 안전한 데이터 전송이 필요한 다양한 분야에서 큰 도움이 될 것“이라는 기대를 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원, 포스코, 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50876-y

1. CMC
Carboxymethyl cellulose

2. 아자이드 그룹(azide group)
화학에서 중요한 기능성 그룹 중 하나로, 세 개의 질소 원자가 선형으로 배열된 구조(-N₃)를 가진다.