초정밀 가공을 이용한 다층 패턴 구조의 각도-독립적 구조색 구현

1. 연구 배경 및 목표

구조색(Structural Color)이란 물체에 조사되는 백색광이 특정한 구조에 의해 반사, 회절, 간섭 등의 영향을 받아 색이 발현되는 현상이다.¹ 구조색에 의한 색상 발현은 표면 구조가 손상되지 않는 범위 내에서 색 바램 등 기존의 염색 공정이 갖는 지속성 한계를 극복할 수 있다.²

자연계에서도 이러한 구조색의 발현을 쉽게 접할 수 있으며 모르포 나비(Morpho Butterfly)의 날개나 폴리아 콘덴사타(Pollia Condensata) 열매가 대표적인 사례이다. 모르포 나비의 날개 표면은 수 마이크로미터 단위의 패턴으로 구성되어 푸른색을 나타내며,^3,4 폴리아 콘덴사타 열매는 껍질의 다층구조 섬유질을 통해 무지갯빛 색상을 발현한다.⁵

이를 모방하여 표면 패턴을 통해 구조색을 발현하고자 수많은 연구가 수행되었다. 표면 패턴에 의한 구조색은 패턴 형상에 따라 다양한 색상을 발현할 수 있는 장점이 있다.^6,7 또한 구조색의 지속성을 연장할 수 있으며,^2,8 패턴의 변화에 따라 발현되는 색이 변화하여⁹ 센서 등으로 응용될 수 있는 장점이 있다.

이러한 장점을 바탕으로 표면에 마이크로미터 단위의 복잡 형상 패턴을 가공하고, 가공성을 향상하고자 다양한 연구가 수행되고 있다. Yang은 타원 형상의 패턴을 가공하고, 가공 입사각을 조절함으로써 다른 형상 길이에 대한 다양한 구조색 발현을 분석하였다.¹⁰ Xue는 이중 식각(Dual-Etching) 공정을 이용한 리소그래피 기술을 이용하여 패턴을 가공하고, 백색광에 의해 검출되는 빛의 파장을 분석하였다.¹¹ Wang은 식각-침적 과정을 반복하는 리소그래피 기술을 통해 디스크 형상, 고리 형상, 반구 형상의 패턴을 알루미늄에 가공하였고, 이에 따른 구조색을 분석하였다.¹²

다양한 형상 및 가공법에도 불구하고 단일 층 패턴에 의해 발현되는 구조색은 빛 조사 각도나 색을 측정하는 각도에 따라 색상이 변화하는 단점이 있다. 반면 다층 구조로 구현하는 구조색은 겹 수의 증가에 따라 반사광 또는 투과광의 입사각과 반사각이 일정하게 변하여 색의 각도-독립성(Angle-Independency)이 증가하는 현상이 나타난다.¹³ 이에 다층 구조를 이용하여 빛의 조사 각도 및 측정 각도에 독립적으로 일정한 색상을 발현할 수 있는 각도-독립적 구조색을 구현하는 연구가 수행된 바 있다.^14,15 그러나 대부분의 공정이 고도로 통제된 환경에서 단일 패턴의 나노미터 단위 박막을 적층하였으며, 특히 대면적 적용에 있어서는 추가적인 연구가 필요한 상황이다.¹⁴

이에 본 연구에서는 초정밀 가공을 이용하여 각도-독립적 구조색을 나타내는 다층 구조 제작 공정을 개발하였다. 초정밀 가공은 패턴 형상을 정확하게 제작할 수 있으며, 몰드를 통한 패턴 전사를 기반으로 패턴 된 필름을 빠르게 제작, 다층 구조에 적용함으로써 대면적 시편 제작에 많은 가공 시간이 소요되는 초정밀 가공 공정의 단점을 다소 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

보다 상세히 초정밀 가공을 통해 마이크로 패턴을 갖는 알루미늄 몰드를 제작하고 실리콘 합성 중합체(Polydimethylsiloxane, PDMS)를 이용하여 패턴이 전사된 실리콘 필름을 제작하였다. 이후, 제작된 실리콘 필름을 여러 겹 겹쳐 각도-독립적인 구조색을 갖는 다층 필름(Multi-Layer Film) 구조를 제작하고자 하였다.

실험을 통해 우선 단일 필름에 대한 구조색 발현을 평가하였다. 그 후 다층 필름 구조를 제작하여 빛의 조사각과 조사량을 일정하게 유지한 채로 필름 겹 수와 측정 각도를 달리하여 발현되는 구조색의 변화를 평가하였다. 아울러 측정 각도를 변화시키며 제안된 공정으로 제작된 마이크로미터 단위 다층 필름 구조에서 발현되는 구조색의 각도-독립적 효과를 평가하고자 하였다. 이러한 공정 개발과 평가를 통해 특히 생산성 측면에서 다층 구조 제작 공정 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

2. 실험 상세

2.1 실험 제원

패턴 가공을 위해 3개의 모터(3-Axis Precision Motor L-509, 1ASD00, PI GmbH & Co. KG, Germany)와 그에 상응하는 모터제어기(SMC Hydra CM & C-663.12, PI GmbH & Co. KG, Germany)로 시스템을 구성하고 초정밀 가공을 수행하였다(Fig. 1). 알루미늄 판재(Al5052, AS ONE Corp., Japan)에 몰드 제작을 위한 가공을 수행하였으며 다이아몬드 절삭공구(D-Bite, Sinjin Diamond Co. Ltd., Korea)를 이용하여 기울어짐을 제거한 평면을 생성한 후(Fig. 2(a), Top-Plate Cutting, 70°, 인선반경 500 μm 공구 이용) V 형상의 공구로 마이크로 패턴 절삭가공(Fig. 2(b), Micro-Pattern Machining, 90°, 인선반경 1 μm 공구 이용)을 수행하였다. 본 연구의 모든 기계가공은 동일한 가공 시스템 및 모재에서 수행되었다.

Fig. 1

3-Axis ultra-precision machining system

Fig. 2

Diamond cutting tools

2.2 가공 조건 및 실험 방법

회절 이론에 따르면 구조색 색상을 결정하는 빛의 파장은 절삭 간격(Cutting Pitch)과 빛의 입사각, 반사각에 의해 식(1)과 같이 구할 수 있다.

$\[ d\left(\sin {\theta }_i+\sin {\theta }_r\right)=m\lambda \]$

(1)

이때의 d는 절삭 간격으로 Fig. 3(a)와 같이 가공 경로 중심선 사이 간격을 의미한다. θ_i와 θ_r은 각각 빛의 입사각과 반사각, m과 λ는 회절 모드의 수와 반사광 또는 투과광의 파장(색)을 의미한다. 패턴 높이(Pattern Height)는 가공된 패턴의 높이로서 절삭 간격의 영향을 받아 결정된다. 여기서는 절삭 간격을 1.0-4.5 μm 범위 내에서 0.5 μm씩 총 8가지 조건으로 가공하였다. 이때, 절삭 간격을 제외한 절삭 속도(10 mm s^-1), 절삭 깊이(7 μm) 등의 조건은 전부 동일하였다(Table 1).

Fig. 3

Fabrication process and structural colors at aluminum and silicon film (① 1.0, ② 1.5, ③ 2.0, ④ 2.5, ⑤ 3.0, ⑥ 3.5, ⑦ 4.0, and ⑧ 4.5 μm)

Table 1

Experimental design of cutting parameters

초정밀 가공을 통해 제작된 알루미늄 몰드에 대해 액상의 실리콘 합성 중합체(Silicone Elastomer Kit, DC-184, Dow Corning Corp., United States)를 이용하여 패턴을 전사하였다(Fig. 3(b)). 각각의 실리콘 필름 두께를 일정하게 조절하고자 동일한 질량의 실리콘을 사용하였으며, 이를 약 50분간 경화시켜 실리콘 필름을 제작하였다. 이후, 몰딩 과정을 반복하여 동일한 패턴을 갖는 실리콘 필름을 10장 제작하였다. 제작한 필름은 평균 320 μm의 두께를 가지고, 이때의 표준편차는 17.79 μm였다.

2.3 구조색 관측 및 색 값 추출

앞서의 공정을 통해 제작된 일정한 두께를 갖는 10장의 실리콘 필름을 수직축 중심으로 회전이 가능한 관측 장비(Fig. 4(a))에 부착하였다. Fig. 4(b)와 같이 구조색 관측 시스템을 구성하였으며 카메라와 빛의 조사 각도(지면으로부터 +15°)를 고정하고, 관측 장비의 수직축 방향 회전 각도를 조절하여 필름 측정 각도를 상대적으로 변화시켰다. 이후 필름 겹 수와 측정 각도 변화에 따라 발현되는 구조색 변화를 관찰하였다.

Fig. 4

Measurement configuration of structural color

실리콘 필름을 통해 발현되는 구조색을 카메라(DSLR camera, D7500, Nikon Corp., Japan)를 이용하여 촬영하였다. 또한, 필름 겹 수와 측정 각도에 따른 구조색을 수치적으로 비교분석하고자 촬영된 사진에서 구조색의 RGB (Red, Green, Blue) 및 HSV (Hue, Saturation, Value) 값을 추출하였다.

3. 실험 결과

3.1 절삭 조건에 대한 주기적 구조색 발현

먼저, 측정 각도를 고정하고 한 겹의 실리콘 필름에 대해 절삭 간격 변화에 따른 색상 변화 주기 및 반복성을 관찰하였다. 구조색은 측정 각도 및 절삭 간격 등의 조건에 따라 적색 계열부터 자주색 계열까지 일정한 주기로 색이 반복되는 현상이 나타난다.¹⁰

Fig. 5를 보면 절삭 간격이 1 μm 단위로 변화함에 따라 발현되는 구조색의 RGB값이 증가-감소를 반복한다. 특히, 녹색 계열을 의미하는 G값과 청색 계열을 의미하는 B값은 비슷한 주기와 형태로 증가-감소를 반복하는 반면에 적색 계열을 의미하는 R값은 G, B값과 같은 주기를 갖지만 증가-감소가 역전된 형태로 반복된다. 이는 절삭 간격 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 μm 실리콘 필름에서 발현되는 구조색은 적색 계열을 보이는 반면, 절삭 간격 1.5, 2.5, 3.5, 4.5 μm 실리콘 필름에서 발현되는 구조색은 청색 계열을 나타내는 현상을 통해서 확인할 수 있다(Fig. 3). 그 결과 실험을 통해 절삭 간격 약 1 μm를 기준으로 발현되는 구조색이 주기적으로 반복되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5

Structural colors varied by cutting pitch

3.2 다층 필름 겹 수에 따른 구조색 변화

다음으로 동일한 측정 각도에서 실리콘 필름의 증착 겹 수를 증가시키며 발현되는 구조색의 변화를 관찰하고 필름 겹 수의 영향을 분석하였다.

Fig. 6의 사례를 보면 실리콘 필름 겹 수가 증가하는 초기 구간에서 RGB값이 증가하였다. 이후, 6겹 이상의 필름에서 R, G, B값이 모두 특정한 값으로 수렴하였다.

Fig. 6

RGB value changes by increasing the number of layers (Cutting pitch: 2.5 μm condition)

실험 결과, 전체적으로 필름의 겹 수가 증가함에 따라 구조색 색상 계열이 비교적 일정하게 유지되는 현상이 나타났다(Fig. 6).

보다 상세히 실리콘 필름 겹 수를 증가시키며 구조색을 분석한 결과, 다층 필름의 구조색은 단층 필름의 구조색에 비해 밝고(명도가 높아짐) 흐릿한(채도가 낮아짐) 색상으로 수렴하는 현상을 보였다. 이러한 변화가 한편으로 RGB값 자체에 영향을 미쳐 색이 변화하는 것처럼 분석될 수 있기에, 보다 명확하게 구조색의 변화를 HSV색 공간에서 분석하였다. 채도(Saturation)와 명도(Value) 변화와 관계없이 필름 겹 수 및 측정 각도에 대한 구조색 변화를 색상(Hue) 값만으로 분석할 수 있다. 분석 결과, Fig. 6과 유사하게 색상값도 절삭 간격에 관계없이 6, 7겹 이상에서 일정 값으로 수렴하는 것을 확인할 수 있다(Fig. 8).

이때 Fig. 8(a)의 색상값은 절삭 간격에 의해 그 값이 크게 영향을 받는 것으로 고려될 수 있으나, HSV색 공간은 0-360을 주기로 색상값이 순환하므로(적색-자주색) 실제 구조색 색상은 필름 겹 수 증가에 대해 적색 계열로 일정하게 발현되었다.

Fig. 7

Structural color variations with different numbers of layers

Fig. 8

Hue values by increasing the number of layers

3.3 다층 필름에 의한 각도-독립적 효과

다음으로 시편 회전이 가능한 관측 장비(Fig. 4)에 실리콘 필름을 부착하고, 구조색의 측정 각도를 30° 조절함과 동시에 실리콘 필름 겹 수를 조절하여 구조색 변화를 관찰하고, 각도-독립적 효과를 확인하고자 하였다(Fig. 9).

Fig. 9

Rotating 30 for observation of structural color variation

Fig. 10의 실험 결과를 보면 실리콘 필름 한 겹에 대해 측정 각도 회전 시 기존의 정면 각도에서 적색 계열을 나타냈던 절삭 간격 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 μm 조건의 구조색이 회전 이후에는 녹색 계열로 변화하였다. 한편 정면 각도에서 청색 계열을 나타냈던 절삭 간격 1.5, 2.5, 3.5, 4.5 μm 조건의 구조색은 회전 이후에 청색 계열을 유지하며 적색 계열 대비 적은 색상 변화를 나타냄을 확인할 수 있었다.

Fig. 10

Images for each cutting pitch with respect to the measurement angle change of 30°

반면 실리콘 필름 10겹의 다층 구조에 대해 위와 동일한 조건으로 측정 각도를 회전시킨 결과, 적색 계열과 청색 계열의 구조색 모두 한 겹에서의 구조색 변화에 비해 구조색의 색상 계열을 비교적 잘 유지하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11은 측정 각도를 회전하였을 때, 구조색 색상값 변화량을 실리콘 필름 겹 수와 절삭 간격에 따라 보여준다. 모든 절삭 간격에서 측정 각도 회전에 의한 색상값 변화량은 필름 겹 수가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 특히, 적색 계열 구조색의 절삭 간격 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 μm 조건은 청색 계열 구조색의 절삭 간격 1.5, 2.5, 3.5, 4.5 μm 조건에 비해 실리콘 필름 겹 수가 증가하며 측정 각도 회전에 의한 색상값 변화량이 급격하게 감소하였다. 이를 통해 적색 계열 구조색이 청색 계열 구조색보다 측정 각도에 대해 민감하게 변하는 것을 확인할 수 있다.

전체적으로 색상 계열에 상관없이 필름이 5, 6겹 이상 겹쳐지며 측정 각도에 의한 색상값 변화가 일정한 수준으로 수렴하며, 측정 각도 변화에 대해 색상값 유지 능력이 향상된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11

Differences of hue values for each cutting pitch with respect to the measurement angle change of 30°

Fig. 12는 측정 각도를 회전하였을 때 구조색 색상값 변화량을 절삭 간격에 따라 나누고, 단일층 필름과 10겹 필름에 대해 비교분석하였다. 모든 절삭 간격에서 10겹 필름 색상값 변화량이 단일층 필름 색상값 변화량보다 작게 나타났으며, 이를 통해 다층 구조에 의한 구조색의 각도-독립성 향상을 확인할 수 있다. 또한 Table 2는 각각의 절삭 간격에 대해 단일 층 대비 10겹 필름의 측정 각도 회전에 대한 색상값의 변화량을 감소율로서 나타냈다. 그 결과 적색 계열 구조색을 갖는 절삭 간격 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 μm 조건의 감소율(평균 61.34%)이 청색 계열 구조색의 절삭 간격 1.5, 2.5, 3.5, 4.5 μm 조건의 감소율(평균 50.58%)에 비해 비교적 크게 나타났다. 이는 다층 필름에서 적색 계열 구조색이 청색 계열 구조색에 비해 각도-독립적 효과를 더 크게 나타냈음을 의미한다.

Fig. 12

Differences of hue values for each cutting pitch by the measurement angle change

Table 2

Reduction rate of hue value in 10 layers compared to the single layer by the measurement angle change

초정밀 가공 및 실리콘 몰딩 공정을 통해 제작한 마이크로 패턴이 전사된 필름을 여러 층으로 구성하여 다양한 구조색을 발현하였다. 또한, 필름 겹 수와 측정 각도를 조절한 실험 결과를 통해 마이크로미터 수준의 다층 패턴 구조에 의한 각도-독립적 효과를 확인하였다. 이를 통해 복잡한 나노미터 스케일 패턴을 갖는 다층 구조 제작 공정의 복잡성, 패턴의 균일성 등을 극복하고 가공성 및 대면적 제작 가능성을 향상할 수 있다. 추가 연구를 통해 서로 다른 패턴을 갖는 필름을 증착하여 보다 다채로운 구조색을 구현할 수 있을 것으로 기대한다.

4. 결론

본 연구에서는 초정밀 가공을 이용하여 각도-독립적 구조색을 나타내는 다층 구조 제작 공정을 개발하였다. 몰딩 과정을 통해 마이크로미터 패턴이 전사된 실리콘 필름을 제작하였고, 증착필름의 겹 수와 측정 각도에 따른 구조색의 변화를 관찰하였다. 아울러 제작한 다층 필름 구조색의 각도-독립적인 특성 개선 효과를 평가하였다. 이를 통해 다음의 연구 결과를 확인하였다.

먼저, 약 1 μm 절삭 간격을 주기로 구조색의 RGB값이 증가-감소를 반복하며 발현되는 색상 계열이 주기적으로 반복되는 것을 확인하였다. 또한, 실리콘 필름의 증착 겹 수가 일정 수준 이상으로 증가함에 따라 구조색의 RGB 및 색상값이 특정값으로 수렴하는 것을 확인하였다. 마지막으로 실리콘 필름의 증착 겹수가 증가함에 따라 측정 각도 변화에 대한 구조색 색상값 변화가 감소하여 각도-독립적 효과를 높이며, 적색 계열 구조색이 청색 계열 구조색에 비해 측정 각도에 민감하게 변화하는 것을 확인하였다.

본 연구 결과를 바탕으로 다층 실리콘 필름의 두께를 조절하고, 서로 다른 필름을 조합하여 각도-독립적인 성질을 가지며 보다 높은 채도를 갖는 구조색을 발현하는 공정을 개발하는 연구로 이어가고자 한다.

Acknowledgments

본 연구는 2020년 한국항공대학교 교비연구 지원 및 2021년 정부(과학기술정보통신부, 교육부)의 재원으로 한국연구재단(이공분야 기초연구사업 신진연구자지원 사업, BK 21 FOUR사업)의 지원을 받아 수행되었습니다(Nos. NRF-2018R1C1B5085752 and 5199990714521). 이에 감사드립니다.

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