광주과학기술원(GIST)은 전기전자컴퓨터공학과 정현호 교수와 한국과학기술원(KAIST) 송영민 교수 공동연구팀이 전압과 빛의 편광 방향을 동시에 이용해 색상을 정밀하게 조절할 수 있는 ‘카이랄(Chiral) 플라즈모닉 전기변색 메타표면’을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.
이번 기술은 빛의 회전 방향(원형편광)에 따라 색이 달라지는 나선형 금 나노구조와 전기변색 고분자(Polyaniline, PANI)를 결합해, 1볼트(V) 이하의 초저전력으로 가시광 전 영역(약 287나노미터)에 걸친 폭넓은 색상 변화를 구현할 수 있는 것이 특징이다.
전기변색 소자는 전압을 가하면 색이 변하는 원리를 활용해 스마트 윈도우나 저전력 디스플레이에 응용된다. 그러나 기존 기술은 색 변화 폭이 제한적이거나 고전압이 필요해 한 픽셀 내에서 다양한 색을 표현하기 어려웠다.
연구팀은 자연계의 나선형 구조(보석풍뎅이 등)에서 영감을 받아, 빛의 편광 방향에 따라 색이 달라지는 ‘이색성(Dichroism)’ 원리를 전기변색과 결합했다. 금 기반의 나선형 나노구조 위에 전기변색 고분자를 균일하게 코팅해 전압과 편광 변화에 따라 색을 조절할 수 있는 메타표면을 구현했으며, 복잡한 미세가공 없이 대면적 기판에서도 제작이 가능하다.
또한, 전기변색 물질의 메모리 특성으로 인해 한 번 전압을 가해 색을 바꾸면 약 15분간 전원을 꺼도 색이 유지되는 비휘발성 특성을 나타낸다. 제작된 메타표면은 빨강·초록·파랑(RGB)을 포함한 모든 가시광 색상을 0.25초 이내에 전환할 수 있으며, 1000회 이상의 반복 구동 후에도 성능이 유지되는 높은 안정성과 내구성을 보였다.
연구팀은 이 기술을 4픽셀 광 논리 메모리 소자로 확장해 전압과 편광 조합만으로 162가지 색상 조합을 구현했다. 이는 기존 2진(binary) 논리를 넘어서는 3진(ternary) 광 논리 체계로, 차세대 광 기반 데이터 저장 및 암호화 기술로의 응용 가능성을 제시한다.
정현호 GIST 교수는 “이번 연구는 빛의 편광성과 전기 자극을 결합한 새로운 색 제어 방식을 제시한 사례로, 저전력·고효율 디스플레이와 광학 메모리 등 다양한 응용 분야로 확장될 것”이라고 밝혔다. 송영민 KAIST 교수는 “편광 반응형 전기변색 기술은 AR/VR, 광학 센서, 포토닉 컴퓨팅 등 차세대 광기반 기술의 핵심이 될 잠재력을 지녔다”고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수신진연구사업, 미래기술연구실사업, 이노코어(InnoCORE) 프로그램의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘ACS Nano’ 2025년 10월 1일 자 온라인판에 게재됐다. 기술이전 관련 협의는 GIST 기술사업화센터에서 진행 중이다.
헬로티 이창현 기자 |
