대법원2009도1746;한국슈넬제약.나노패텅닝기술.김주성23.

자연에서 발견한 포토닉 나노구조
KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-03-09
중국 연구진은 곤충의 날개를 사용해서 나노구조로 된 반사방지 필름(anti-reflective film)을 생산하는데 성공하였다. 북경 대학(Peking University)과 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)의 나노기술공학(Nanotechnology and Engineering) 연구진은 금을 사용해서 매미 날개의 음각 이미지를 만들었고 그 후 생체 형틀(biotemplate)을 사용하여 PMMA 물질에 패턴을 만들었다.

자연은 반사방지 구조가 되었을 때 많은 것을 제공하기 때문에 과학자들은 나방의 각막과 나비의 눈 그리고 박각시나방류(hawkmoths)와 매미 날개의 연구로 많은 영감을 얻었다. 이 연구성과를 기초로 하여 많은 연구진은 렌즈의 포토닉스 구조(photonic structure), 광 민감성 검출기(light-sensitive detector), 태양전지, 디스플레이 그리고 많은 다른 곳에 적용하려고 하고 있다. 예를 들면 북경대학의 장 및 리우 연구진은 나노미터 크기의 구조체를 갖는 고분자 필름 패턴을 도장하여서 뛰어난 음향을 가질 수 있도록 하였는데, 여기에서 사용된 것이 매미 날개였다. 또한 마이크로 및 나노 구조의 정렬된 어레이를 형성하는데 나비의 날개 그리고 선인장의 잎을 사용하였다(GTB2006110042). 그리고 저비용의 반사방지 코팅은 안경, 그리고 차유리의 성능을 증대시킬 수 있다(GTB2004091144). 개발된 기술은 주변에 존재하는 자연의 나노구조체가 기존의 마이크로제조 기술로 용이하게 접근될 수 없는 마이크로 구조의 패턴에 어떻게 사용될 수 있는지를 보여준 방법이다. 자연으로부터 나노기술에 대해 배울 것이 많다(GTB2006110042).

곤충들이 위장하기 위해서 사용하는 이 매미 날개의 반사방지 성질은 날개와 공기 사이 계면에서 발생하는 순차적인 굴절률 분포(refractive index profile) 때문이다. 이 서브 파장 니플 어레이(sub-wavelength nipple array)가 존재하여서 광범위한 각도에서 반사율이 감소하거나 10만큼의 주파수 범위가 감소될 것이라고 생각했었다. 각각의 니플의 꼭대기와 바닥은 약 400 nm의 높이와 약 65와 150 nm의 평균 지름을 가진다.

생체 형틀을 만들기 위해서 연구진은 아세톤으로 세척한 매미 위에 금 필름을 열로 증착하였다. 매미 날개는 몰딩 프로세스(moulding process)에 적합하였다. 연구진은 주조 동안에 매미 날개의 원래의 구조를 유지하기에 충분하게 높은 영계수(Young`s modulus)를 가진 고분자 결정 폴리머(high molecular weight crystalline polymer)로 되어 있는 키틴질을 이용하였다. 이 날개는 심지어 점착 방지제(anti-sticking agent)로 사용하기 위해서 바깥쪽 층 위에 왁스층(layer of wax)이 존재한다.

두 번째 단계는 PMMA 필름 위로 패턴을 이동시키는 것이다. 여기서의 핵심은 온도이다. 이 폴리머는 금 주형 위에서 주조되어지고 그 후 30분동안 90도로 오븐에서 가열되었다. 60도에서 가열한 것은 PMMA 필름에 이 구조를 복제하는데 비효율적이라는 것을 알게 되었다. 연구진은 핀셋으로 이 폴리머를 간단하게 벗겨내어서 제거하였다.

이 금 몰드는 수십 번 이상동안 연속적으로 사용될 수 있다고 연구진은 말했다. 연구진은 현재 비용을 감소하기 위해서 PMMA를 대체할 수 있는 물질을 찾고 있다. 또한 이 연구진은 반사방지 필름이 실제 생활에서 사용할 수 있는 곳을 찾고 있다. 이 연구결과는 Nanotechnology에 게재되었다.


그림 1. 매미 날개의 SEM 사진. (a) 고배율로 투시한 그림. (b) 나노 니플의 등과 배 부분의 표면단면사진. (c) 고배율 확대 단면 사진

그림 2. 나노홀 어레이; 500 nm 두께의 금 필름 위에 형성된 매미 날개의 음각 사진

그림 3. 반사방지 성질. 크롬층에 나노 니플 어레이를 가진 코팅(왼쪽)과 나노 니플 어레이를 가지지 않는 코팅(오른쪽).

출처 : http://nanotechweb.org/cws/article/tech/33181

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