~ 반사율 1% 이하의 초박막 광흡수 구조 실현 ~
도쿄공업대학 대학원 종합이공학연구과, 시바우라공업대학 공학부 연구팀은 연꽃 잎의 나노구조를 주형으로 사용하여 고효율로 대면적 ‘초박막 광흡수 메타 메터리얼’의 제조에 성공하였다.
광메타 메터리얼은 인공적인 나노구조를 사용한 특이한 광학적 성질을 나타내는 물질이다. 부(負)의 굴절 및 물질의 불(不)가시화, 고효율 광흡수 구조 등에 이용할 수 있는 가능성이 있기 때문에 많은 연구자의 주목을 받고 있다. 광메타 메터리얼의 대부분은 지금까지 미세가공기술을 사용하여 제작되었다. 때문에 저비용으로 대면적의 광메터 메터리얼을 제작하는 것은 어려웠다.
연구그룹은 자연계의 나노구조를 이용하여 특이한 광학적 성질을 가진 인공재료의 제작에 성공하였다. 자연계의 나노구조를 이용하면 저비용으로 대면적의 메타 메터리얼이 제작될 가능성이 있기 때문에 기초적인 흥미뿐만 아니라 응용상 의의가 있다. 이번에 고효율 빛을 흡수하는 구조를 연구하였다.
연꽃은 여름에 아름다운 꽃을 피우지만, 그 잎의 표면은 강한 발수성을 가진다. 이것은 표면의 마이크로 굴곡의 혹 구조가 발수성을 강하게 하고 있기 때문이다. 이 마이크로 혹 구조에 추가로 혹 표면에 다수의 마카로니 형태의 나노구조가 분포하고 있다. 이것을 주형으로서 이용하면 광메타 메터리얼을 제조할 수 있을 것으로 생각하여 연구를 수행하였다.
연구팀은 연꽃 잎을 금의 박막으로 피복하는 것만으로 표면에 조사한 빛을 흡수하는 대면적 메타 메터리얼 구조를 제작하였다. 중심 부분이 빛을 흡수하기 위해 검고, 고정을 위한 테이프 표면은 금색이다. 모두 금이 피복되어 있지만, 그 차이는 분명하다. 금을 피복하더라도 검게 되는 성질은 연꽃 잎이 가진 다수의 마카로니 형태의 나노구조가 빛을 트랩하기 때문이라고 생각된다.
비교를 위해 동일한 금으로 피복하더라도 삼백초 잎은 금색을 띠고 있다. 쑥 및 산초나무 잎을 피복하더라도 동일하게 금색이었다. 삼백초 잎 표면의 전자현미경 사진을 보면, 나노구조를 가지고 있지 않기 때문에 연꽃 잎의 나노구조가 빛의 트랩에 중요한 역할을 하고 있다는 것을 알았다.
이 구조는 10~30nm라는 상당히 얇은 금속막으로 광흡수 구조가 구축되어 있기 때문에 태양전지의 효율 향상 및 고효율 광열변환 재료로서 기대할 수 있다. 또한 자연계의 나노구조를 사용한 다양한 대면적 광메타 메터리얼 실현 가능성을 시사한다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
