투명하면서 빛 굴절률도 높은 플라스틱 필름 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 투명한 플라스틱으로는 그동안 달성하지 못했던 超 고굴절률을 가진 소재가 개발됐다.

KAIST 생명화학공학과 임성갑 교수 연구팀은 서울대 차국헌 교수, 경희대 임지우 교수 연구팀과 공동으로 1.9 이상의 고굴절률을 갖는 투명 플라스틱 필름을 제조하는 기술을 개발했다고 14일 발표했다.

연구팀에 따르면 현재까지 개발된 고분자 소재 가운데 투명성을 유지하면서 최고의 굴절률을 기록한 소재는 1.78 수준이며, 1.8 이상의 굴절률을 가진 소재는 색을 띄게 돼 투명성이 떨어졌다.

따라서 플라스틱의 강점인 유연성과 가공성, 투명성을 유지하면서 높은 굴절률을 필요로 하는 첨단 IT기기의 광학 부품 소재로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

굴절률은 특정 물질 내에서의 빛의 속도를 진공상태에서의 빛의 속도와 비교해 표현한 수치로, 굴절률 1.9는 진공상태에 비해 빛의 속도가 1.9배 낮아진다는 뜻이다. 빛의 속도가 떨어지는 비율에 따라 빛이 그 물질을 통과할 때 꺾이는 각도도 커진다.

TV나 스마트폰의 화면 스크린을 비롯해 카메라 센서 등 빛을 활용하는 모든 전자부품에는 다양한 굴절률을 가진 소재들의 정밀한 조합이 필요하다. 특히 전자기기의 소형화 추세와 함께 더욱 얇은 두께에서 많은 빛의 굴절을 유도하는 고굴절률 투명 소재의 수요가 급격히 늘어나고 있다.

임성갑 교수는 "고분자 소재들은 특성이 우수하고, 다양한 형태로 쉽게 가공할 수 있다는 장점으로 다양한 분야에 널리 활용되고 있지만 현재까지 개발된 고분자 소재 가운데 굴절률이 1.75를 넘는 재료는 극히 드물고, 비싼 원료와 복잡한 합성 과정이 필요하며, 무엇보다도 소재 관련 원천기술의 대부분은 일본이 보유하고 있다는 데 문제가 있다."고 연구 배경을 설명했다.

연구팀이 개발한 소재는 황(S)을 기반으로 한 고분자 중합체다. 기존의 1.8 이상 굴절률을 기록한 고(高)황함유 고분자와 달리 '기체 상태의 황'을 활용했다. 기체 상태의 황은 용융 상태의 황과 달리 짧은 폴리설파이드(polysulfide)로만 존재하기 때문에, 매우 긴 폴리설파이드 사슬을 포함하는 기존의 황 기반 고분자와 비교해 우수한 열 안정성을 보인다.

연구팀은 기체 상태의 황을 다양한 물질들과 함께 중합해 단 한 단계의 증착 반응만으로 우수한 열 안정성과 함께 가시광선 전 영역에서 투명하며 1.9 이상의 고굴절률을 갖는 고분자 박막을 만드는 데 성공했다. 이 방법은 실리콘 웨이퍼나 유리 기판뿐만 아니라, 미세 요철 구조가 있는 다양한 표면에도 표면 형상 그대로 고굴절 박막을 코팅할 수 있다.

공동연구팀의 임지우 교수는 "기체 상태의 황을 고분자 제조에 이용한다는 발상의 전환이 초 고굴절, 고 투명성 고분자 박막 제조기술의 원천이 됐다"면서 "향후 고굴절 소재뿐만 아니라 평면 렌즈, 메타 렌즈 등으로 대표되는 차세대 초경량 광학 소재를 구현하는데 핵심적인 역할을 할 것"으로 기대했다.

KAIST 생명화학공학과 김도흥 박사와 장원태 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스' 온라인에 8일 게재됐다. (논문명 : One-Step Vapor-Phase Synthesis of Transparent High-Refractive Index Sulfur-Containing Polymers）

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