빛 조절 가능한 나노창문 개발

과학기술

빛 조절 가능한 나노창문 개발
빛 파장보다 작은 원자배열로 투과율 조절

2017.07.05 10:14 이강봉 객원기자

호주 과학자들이 빛 투과율을 조절하면서 온도 제어를 할 수 있는 나노 필름을 개발했다. 호주 국립대학의 12명의 연구팀에 의해 개발된 이 필름은 단추를 누르는데 따라 창문(window) 또는 거울(mirror)로 변환이 가능하다.

거울로 전환할 경우 고가의 위성 등을 해로운 방사선으로부터 안전하게 보호할 수 있다. 투명한 창문으로 전환할 경우 100% 빛을 투과할 수 있어 겨울철 온도 보존이 가능한 보온 주택 건설이 가능하다.

3일 ‘가이언’ 지에 따르면 이 기술을 개발한 곳은 호주국립대(ANU)다. 물리학자인 유리 키프샤르(Yuri Kivshar), 레이 슈(Lei Xu ) 교수가 이끈 12명의 연구팀은 지난 2년 간 나노 입자를 이용해 메타표면(metaspace)을 개발해왔다.

과학자들이 빛 투과율을 조절하면서 온도 제어를 할 수 있는 나노 필름을 개발했다. 호주국립대 연구진이 개발한 이 나노필름은 빛 파장보다 헐씬 작은 원자 배열을 통해 빛의 투과량과 성질 등을 마음대로 조절할 수 있다. ⓒANU

빛 파장보다 세밀한 메타공간 만들어

메타표면이란 빛의 파장보다 훨씬 작은 크기의 메타물질로 만든 공간을 말한다. 과학자들은 그동안 메타 원자(meta Atom)의 주기적인 배율을 조절해 자연계에 존재하지 않는 새로운 물질을 만들어낼 수 있다.

빛과 음파를 상호 작용하도록 설계해 투명망토와 고성능 렌즈, 효율적인 소형 안테나, 극도로 민감한 감지기, 전자파·음파 등 일반적인 파동의 전파를 재단할 수 있는 스텔스 기능의 새로운 메타스페이스를 개발해왔다.

그리고 진동수(frequency)에 따라 투명도 조절이 가능한 필름을 개발했다. 연구에 참여한 모센 라마니(Mohsen Rahmani) 교수는 “이 필름에 진동을 가하면 빛과 상호작용하면서 빛 궤적을 조율할 수 있다”고 말했다.

“0~100%까지 빛 투과율을 조율할 수 있으며, 빛 반사도 가능하다”는 설명이다. 이에 따라 이 필름을 유리창으로 활용할 경우 투명도 조절을 통해 빛 투과율을 조절할 수 있다. 겨울이 되면 많은 빛을 투과케 해 보온용으로 활용이 가능하다.

그러나 여름철에는 빛을 완전히 차단해 실내 온도를 내릴 수 있다. 라마니 교수는 “이 기술이 보온 주택, 혹은 대형 빌딩 건축에 적용돼 건물을 에너지절감형으로 변신하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것”으로 보고 있다.

자동차에도 활용이 가능할 것으로 예상되고 있다. 차창의 투명도를 조절하면서 내부의 보온과 냉동 상태를 조절할 수 있을 것으로 예상되고 있다. 이 필름의 반사 기능 역시 다양한 활용이 가능하다.

“0~100%까지 빛 투과율 조절할 수 있어”

우주 공간에서 활동하고 있는 우주비행사나 위성들은 우주로부터 쏟아져 나오는 자외선, 방사선 등 갖가지 해로운 미립자들에 노출돼 있다. 이로 인해 위성 수명이 줄어들거나 인명 피해가 우려되고 있다.

그러나 이 필름을 사용할 경우 위협적인 해로운 입자들을 모두 차단할 수 있다. “거울처럼 방사선 등을 모두 반사하기 때문에 그동안 우려해왔던 우주비행사와 위성의 수명 단축을 해소할 수 있다”고 말했다.

레이 슈 교수는 “이 필름이 비가시광선을 가시광선으로 바꿀 수 있는 기능을 지니고 있다”고 말했다. “이 기능을 매우 얇게 해서 기존 유리에 코팅할 경우 한 밤중에 놀라운 마음으로 빛의 향연을 볼 수 있다”고 말했다.

이 필름의 빛 굴절 기능을 활용해 보안 장치로의 활용도 가능하다. 기존 홀로그램의 경우 레이저에서 나온 광선을 2개로 나눠 하나의 빛은 직접 스크린을 비추게 하고, 다른 하나의 빛은 물체에 비추어 그 표면에 따라 위상차가 각각 다르게 나타나는 방식을 적용하고 있다.

홀로그램 대신 이 필름의 빛 굴절 기능을 적용할 경우 홀로그램보다 더 위조가 힘든 매우 정교한 위지방지 장치를 만들 수 있다고 말했다. 빛의 굴절도를 다양하게 적용해 위조가 불가능한 문양을 만들 수 있다.

슈 교수는 “이 필름이 상용화될 경우 산업 잔반에 큰 영향을 미출 수 있을 것”으로 내다보고 있다. 무엇보다 기존의 창문(window) 개념을 바꾸어놓으면서 창문에 대한 인식을 바꾸어놓을 것으로 내다보고 있다.

ANU에서 개발한 이 나노 필름은 가벼우면서 매우 얇고, 손쉽게 가공할 수 있다는 특징을 지니고 있다. 라마니 교수는 “현재 상용화를 위해 일부 벤처기업들과 협의를 진행하고 있다”고 말했다.

나노란 1959년 미국의 노벨물리학상 수상자인 리처드 파인만이 처음 제시한 개념이다. ‘바닥에는 풍부한 공간이 있다’는 연설에서 그는 브리태니커 사전 24권에 들어 있는 모든 내용을 하나의 핀 머리에 기록할 수 있다고 주장했다.

당시로서는 꿈만 같은 이야기였지만 지금은 빛 파장보다 작은 원자를 배열하면서 빛의 투과 정도와 방향, 성질까지 변화시키는 필름이 개발되고 있다. 천재 과학자 파인만의 예언을 뛰어넘는 결과다.

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