카이스트 연구진, 반딧불이 발광기관 외피 미세구조 구현
내향반사 줄이고 외부발광 늘려....OLED 효율 60% 향상

» 반딧불이 발광기관 외피의 미세 구조(가운데 그림 왼쪽)와, 그것을 모방해 효율을 높인 유기발광다이오드의 구조. 출처/ Kim, et al. ©2016 American Chemical Society

자체 발광해 야외에서도 선명도를 유지하는 발광소자인 유기 발광 다이오드, 즉 올레드(OLED, Organic Light Emitting Diode)에다 반딧불이 발광기관의 특징을 모방, 적용해서 발광소자의 효율을 높이는 생체모방 기술을 국내 연구진이 선보였다. 카이스트 연구진은 이런 연구성과를 지난 5월 과학저널 <나노 레터스(Nano Letters)>의 인쇄판에 발표했다.

» 반딧불이. 출처/ Wikimedia Commons정기훈 카이스트 교수 등 연구진의 논문과 해외 보도를 보면, 연구진은 반딧불이 발광기관의 외피가 매끈하지 않고 계층적인 미세 구조를 이루고 있다는 점에 주목했다. 이들은 이런 독특한 외피 미세 구조의 광학적 속성과 장점을 모방해, 발광효율을 60퍼센트 가량 높이고 발광각도를 15퍼센트 가량 넓힌 유기발광 다이오드의 제작 가능성을 제시했다. 다음은 정 교수의 설명이다.

“거시규모로 광학적 계산작업을 수행해보니, 반딧불이 외피에 있는 비대칭적이며 계층적인(hierarchical) 구조가 생물체에서 나오는 빛을 효율적으로 발산하고 더 넓게 비추는 데에 실질적으로 기여하는 구실을 한다는 것이 드러났습니다. 이런 외피의 미세 구조가 없다면 반딧불이의 빛은 발광기관 안에 갇혀 있게 될 겁니다.”(해외매체 ‘Phys.org’의 보도)

연구진의 그동안 연구결과에 의하면, 반딧불이 발광기관의 외피는 빛의 내향 반사를을 줄이고 외부 발광량을 늘릴 수 있는 독특한 나노 구조를 갖추고 있는 것으로 나타났다. 연구진은 지난 2012년에 이런 미세 구조의 특징을 찾아내 LED 소자에다 구현하는 연구결과를 선보인 데 이어, 이번 연구에서는 차세대 디스플레이 소자로 주목받고 있는 OLED에 구현해 그 발광효율을 높일 수 있음을 또 다시 보여주었다.

정 교수는 생체모방 연구의 의미와 가치를 다음과 같이 설명했다.

“다양한 생체모사 연구를 해외뿐 아니라 국내에서도 많이들 합니다. 저는 특히 빛과 관련된 생체 기관의 공학 모사 분야에 관심이 많고요. 예를 들어, 생명체에 존재하는 시각, 발광, 또는 변색기관 등이요. 이러한 기관 구조를 전자현미경으로 조금 더 자세히 보면, 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 다양한 구조들이 있습니다.

　자연계에는 110여만 종의 생명체가 존재하는데, 이중 특히 90만 종 이상이 곤충에 해당됩니다. 생명체는 오랜 동안 생존을 위해 다양하게 진화해 왔고요. 저와 저희 학생들이 하고 있는 연구는 이러한 자연의 생명체가 가지고 있는 광학 구조의 특징을 발견하여 컴퓨터 해석을 통해 원리를 밝히고, 카메라나 조명, 디스플레이에 응용하는 연구를 진행하고 있습니다.” (사이언스온 메일 답장에서) ◑

 ■ 일문일답 / 정기훈 카이스트 교수

[사이언스온] 최근에, 반딧불이(Firefly)의 발광기관 구조를 모사해서 OLED의 발광효율을 높이는 기술을 개발했다는 정 교수님 연구진의 연구논문이 <나노 레터스(nano letters)>에실렸습니다. 흥미롭기도 한 내용이어서 몇가지 여쭙고자 합니다. 전문가는 아니지만 어느 정도 기초지식을 지닌 사람들도 이해할 수 있는 수준에서 말씀해주시면 더욱 고맙겠습니다. 찾아보니 지난 4월에도 국내 언론에 보도되었더군요. 그 내용이 이번에 논문으로 발표된 것인지요?

[정기훈 교수] “네. 맞습니다. 해외 보도부터 먼저 되었고요.
참조: http://www.nature.com/articles/natrevmats201630
http://cen.acs.org/articles/94/web/2016/04/Firefly-inspires-brighter-LEDs.html?type=paidArticleContent
http://phys.org/news/2016-04-scientists-fireflies-oled-efficiency.html
http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/devices/firefly-structures-can-boost-oled-efficiency
이외에 여러 기사를 검색할 수 있습니다.”



반딧불이에서 발광효율을 높일 수 있는, 일종의 생체모방 연구는 어디에서 아이디어를 얻으신 것인지요? 그동안 연구과정이 궁금해서요.


“다양한 생체모사 연구를 해외뿐 아니라 국내에서도 많이들 합니다. 저는 특히 빛과 관련된 생체 기관의 공학 모사 분야에 관심이 많고요. 예를 들어, 생명체에 존재하는 시각, 발광, 또는 변색기관 등이요. 이러한 기관 구조를 전자현미경으로 조금 더 자세히 보면, 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 다양한 구조들이 있습니다.
　자연계에는 110여만 종의 생명체가 존재하는데, 이중 특히 90만 종 이상이 곤충에 해당됩니다. 생명체는 오랜 동안 생존을 위해 다양하게 진화해 왔고요. 저와 저희 학생들이 하고 있는 연구는 이러한 자연의 생명체가 가지고 있는 광학 구조의 특징을 발견하여 컴퓨터 해석을 통해 원리를 밝히고, 카메라나 조명, 디스플레이에 응용하는 연구를 진행하고 있습니다.” 



실용화 단계까지 나아간다고 볼 때, 현재 단계는 어느 수준에 있는 것인지요? 현재 연구결과의 의미와 한계를 들을 수 있으면 좋겠습니다.

“시작품 제작 정도 될 것 같습니다. 아래 그림에서 보시는 TRL(Technology Readiness Level, 기술성숙도)에서, 6단계 정도 되고요. 기존 OLED 위에 반딧불이의 미세 패턴을 갖는 유리기판을 올리면, 현재 OLED에서 추출되는 빛의 밝기를 60% 이상 올릴 수 있어 OLED 개발업체에서도 큰 관심을 보이고 있습니다.” 
 


후속 연구는 어떻게 계획하고 계신지요?

“OLED 업체와 사업화를 진행해보고자 합니다. 사실 기술 상용화에는 어러 가지 어려움이 많습니다. 기존 생산 라인에 새로운 공정을 위한 개발 라인을 구축하기 위한 투자도 필요하고요. 저희 기술의 장점을 잘 이해하고 사업화 의지가 강한 산업체 파트너가 있으면 적극적으로 도와드릴 예정입니다.”


이번 논문의 공동저자들을 소개해주시면 고맙겠습니다.

“이번 논문의 주저자로 참여한 김재준 박사의 경우 반딧불이의 발광기관에 관한 연구로 LED에 적용한 연구로 2012년 세계적인 국제 저널인 PNAS(미국 국립과학아카데미 회보, 2012)에 보고하였고, 이번 OLED에 적용해 나노공학 분야의 국제저널인 나노 레터스에 발표한 논문의 주저자로 연구하였습니다. 특히 이번 OLED 논문의 경우 KAIST 전기 및 전자공학부의 유승협 교수님께서 OLED를 제작해주셔서 공동저자로 참여하셨습니다.”

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr       

@한겨레 과학웹진 사이언스온

출처 http://scienceon.hani.co.kr/?act=dispMediaContent&mid=media&search_target=title_content&search_keyword=%EB%94%94%EC%8A%A4%ED%94%8C%EB%A0%88%EC%9D%B4&document_srl=406671

진로를 희망하고 있는 디스플레이 분야의 OLED 연구가 발전되어가니 뿌듯하다. 

+ 생체모방 기술은 여러모로 효율성을 높이는데 유용한 기술인듯하다.