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- 슈뢰딩거, 물질이 600나노미터보다 긴 파장의 모든 빛을 완전히 반사하지만 더 짧은 파장의 빛은 모두 완전히 흡수하는 경우에만 포화된 빨간색이 생성될 수 있다는 것 발견
- 슈뢰딩거의 레드 픽셀(red pixel) 구현
- 전자, 광학, 심지어 광학 암호화 분야에서도 새로운 응용 가능

연구원들이 가장 붉은 색을 만들었다.
나노 구조가 슈뢰딩거의 제조법에 따라 강렬한 적색 구조 색상을 생성해

더이상의 빨간색은 불가능하다.
물리학자들이 가장 강렬한 빨간색을 생성하는 나노구조를 개발했다. 그들은 물리학자 Erwin Schrödinger가 이미 설명한 원리를 구현한 것이다. 광학 공명 효과는 항상 푸르스름한 혼합물을 생성하기 때문에 이러한 순수한 빨간색은 본질적으로 불가능하다. 나노구조에서 작은 기둥의 특별한 배열만이 이러한 파괴적인 효과를 방지한다. 

▲ 이러한 실리콘 나노기둥(여기서는 빨간색으로 표시됨)의 특별한 배열은 현재까지 가장 강렬하고 순수한 빨간색을 생성할 수 있다. © A*STAR

새의 깃털, 나비 비늘 또는 딱정벌레 껍질의 무지개 빛깔이든, 자연의 많은 색상은 안료가 아니라 구조적 색상을 기반으로 한다. 미세 구조는 색상 인상과 종종 무지개 빛깔이 발생하는 방식으로 입사광을 분해한다. 그러나 이 원리는 순수하고 강렬한 붉은색이라는 하나의 색조에서 한계에 도달하며, 이러한 채색이 없는 구조적 붉은색은 자연에서 발생하지 않는다.

"앵무새의 붉은 깃털조차도 반사 스펙트럼에서 더 큰 파란색과 녹색 부분을 가지고 있기 때문에 더 마젠타색으로 보인다"라고 싱가포르 국립 대학교의 차오강동 동(Zhaogang Dong)과 그의 동료들은 설명했다. 그리고 일부 딱정벌레의 비늘은 무지개의 모든 색으로 반짝이지만 순수한 빨간색은 아니다.

▲ 그림 1. BIC 안테나 어레이의 설계 원리, 형상 및 결과는 이상적인 슈뢰딩거의 적색 픽셀에 높은 채도에 접근한다. (A) 이상적인 슈뢰딩거의 적색 픽셀과 일반적인 나노광자 공명 간의 스펙트럼 프로파일 비교. (B) 이상적인 슈뢰딩거의 적색 픽셀을 구성하기 위해 2개의 q-BIC 공진을 사용해 설계된 q-BIC 안테나 어레이의 시뮬레이션된 반사 스펙트럼. (C) 비정질 실리콘(a-Si) 나노안테나 어레이를 기반으로 설계된 BIC 안테나 어레이를 보여주는 3D 개략도. 각 단위 셀은 석영 기판에 한 쌍의 타원형 a-Si 나노 구조로 구성된다. (D) 두 개의 q-BIC 공진 파장에서 Ez의 공간 분포. (E) 유명한 적색 염료 카드뮴 레드에 대한 벤치마킹에서 시뮬레이션 및 실험에서 달성된 적색 CIE 좌표를 표시하는 적색 채도의 최적화를 설명하기 위한 CIE 1931 색도 다이어그램. (F 및 G) a-Si 나노구조를 기반으로 제작된 빨간색 "BIC" 문자의 광학 현미경 이미지 및 SEM 이미지. (출처: 관련논문 Schrödinger’s red pixel by quasi-bound-states-in-the-continuum)

가장 순수한 레드(red)를 위한 슈뢰딩거의 레시피

왜 그럴까? 유명한 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 스스로에게 이런 질문을 했다. 그는 물질이 600나노미터보다 긴 파장의 모든 빛을 완전히 반사하지만 더 짧은 파장의 빛은 모두 완전히 흡수하는 경우에만 포화된 빨간색이 생성될 수 있다는 것을 발견했다. 그래야만 공명 효과가 억제되며, 그렇지 않으면 소위 상위 모드의 푸른 빛과 녹색 빛 구성 요소가 방출되고 그렇지 않으면 순수한 빨간색이 마젠타로 변한다.

그러나 "슈뢰딩거의 붉은 화소"라고 불리는 이 색상은 달성하기가 매우 어렵기로 알려졌다. "광 흡수를 기반으로 하는 합성 및 천연 안료 색상을 사용하더라도 이러한 고도로 포화된 붉은 색조는 드물다"라고 연구자들은 설명했다. 지금까지 이러한 순수한 빨간색은 예를 들어 LED 또는 레이저와 같은 빨간색 빛의 직접 방출을 통해서만 거의 달성할 수 있다.

▲ 그림 3. 석영 기판의 뒷면에 검은색 염료가 있는 y-편광 입사 조건에서 매우 포화된 적색 안료. (A) q-BIC 공진이 있는 빨간색 픽셀의 개략도. 석영 뒷면의 검은색 염료는 기판의 바닥 공기-석영 경계면에서 원하지 않는 반사를 흡수한다. (B 및 C) 고도로 포화된 적색으로 제작된 Si 나노안테나 어레이의 기울어진 측면도 및 평면도의 SEM 이미지. (D) 석영 기판의 뒷면에 있는 검은색 염료를 사용하여 y 편광에서 고도로 포화된 빨간색에 대해 측정된 반사율 스펙트럼. 삽입 이미지는 x5 대물 렌즈로 캡처한 광학 현미경 이미지입니다. (E) (D)에서 측정된 반사 스펙트럼에 대한 CIE 1931 색도 다이어그램.

색상을 가져오는 타원형 실리콘 기둥

이제 바뀌었다. Dong과 그의 팀은 이제 Schrödinger의 제조법을 구현하여 순수한 빨간색 구조적 색상을 생성하는 나노구조를 개발했다. 구조는 비정질 실리콘의 수많은 타원형 기둥이 배열된 석영 베이스 플레이트로 구성된다. 이 기둥의 축은 빛 흡수와 굴절의 최적 조합을 가능하게 하는 특별한 방식으로 서로에 대해 기울어져 있다. 팀은 이전에 모델 시뮬레이션을 사용하여 올바른 각도를 결정했다.

석영 베이스 플레이트의 반사로 인한 원치 않는 간섭을 방지하기 위해 연구원들은 후면을 칠흑색의 광 흡수 층으로 덮었다. 주상 구조와 함께 이것은 슈뢰딩거의 '적색 픽셀'이 요구하는 600나노미터에서 반사와 흡수를 매우 정확하게 분리하는 결과를 가져온다.

붉은 채도의 새로운 기록

실제로 측정 결과 나노구조가 2개의 뚜렷하게 정의된 반사 최대값을 방출하는 것으로 나타났다. 둘 다 슈뢰딩거가 정의한 빨간색 범위에 정확히 위치한다. 다른 모든 파장 범위에서는 빛이 완전히 흡수된다. 이것은 또한 청록색 범위에서 일반적으로 발생하는 공명 효과를 제거한다. "우리가 아는 한, 그 결과는 나노구조에 의해 달성된 가장 높은 적색 포화를 나타낸다"라고 팀은 썼다.

결과는 RGB 다이어그램에서 색상 값이 0.654 및 0.301인 강렬한 적색광이다.
"이 빨간색은 RGB 삼각형에서 이전에 알려진 모든 것을 능가하며 현대 미술에서 강렬한 빨간색을 만드는 데 사용되는 카드뮴 안료보다 훨씬 더 포화 상태다"라고 Dong과 그의 동료들은 보고했다. 다시 말해서, 나노구조가 가장 붉은색을 생성한다.

▲ 그림 4. 다른 편광 조건과 대물 렌즈의 개구수에 따라 제작된 적색 픽셀의 특성화. (A 및 B) x-편광 입사 조건에서 측정된 반사율 스펙트럼 및 NA가 0.12인 ×5 대물 렌즈로 해당 CIE 좌표. (C 및 D) NA가 0.50인 ×36 대물 렌즈를 사용하여 y-편광 입사 조건에서 측정된 반사율 스펙트럼.

새로운 애플리케이션

연구원들이 슈뢰딩거의 "빨간 픽셀"을 현실로 만든 것이다. "빨간색 구조적 색상에서의 이러한 성공은 우리가 때때로 모델 시뮬레이션과 영리한 나노 제조를 통해 진화를 능가할 수 있음을 보여준다"라고 싱가포르 엔지니어링 및 디자인 대학의 Yoel Yang이 말했다.

연구원들에 따르면, 이 나노 구조는 전자, 광학, 심지어 광학 암호화 분야에서도 새로운 응용을 가능하게 한다. Dong의 동료 Cheng-Wei Qiu는 "이렇게 높은 명도와 채도를 가진 빨간색의 생산은 위조 방지 또는 새로운 컬러 디스플레이와 같은 구조적 색상으로 이전에 얻을 수 없었던 응용 분야에 새로운 가능성을 열어준다"라고 말했다.
(Science Advances, 2022, doi: 10.1126/sciadv.abm4512)
출처: Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), Singapore

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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