1. 서 론
최근 첨단 기술이 군사 및 산업 분야에서 에너지 관리와 감지 기술의 핵심 요소로 주목받고 있다. 특히 적외선(Infrared Radiation, IR)은 열 감지 장비와 적외선 카메라를 통해 광범위하게 활용되며1), 군사 작전2)과 산업적 응용3)에서 중요한 역할을 한다. 현재 적외선 신호는 주로 탐지와 감시에 사용되지만, 이를 효과적으로 차단하거나 반사하는 기술이 함께 연구되고 있다4). 군사적 응용에서는 적외선 신호를 은폐하여 적의 감시를 피하는 것이 요구되며2), 산업 분야에서는 열 관리를 최적화하고 에너지 효율을 높이는 차원에서 적외선 차폐 기술이 활용되고 있다3).
이러한 기술적 요구에 대응하기 위해 광 산란 필름이 개발 및 적용되고 있다. 광 산란 필름은 빛을 다양한 방향으로 분산시켜 특정 영역에 집중되지 않도록 함으로써 에너지 효율을 높이고 시각적 편안함을 제공하는 역할을 한다5). 그러나 기존 필름은 적외선 차폐 성능이 충분하지 않아 감지 회피 및 열 제어 측면에서 한계가 있다6). 이에 따라 적외선 반사 성능을 강화하거나 특정 파장을 선택적으로 조절할 수 있는 혁신적인 소재 및 구조의 개발이 요구되고 있다7).
본 연구에서는 적외선 파장대에서 반사율을 조절하여 반사 성능을 강화한 광 산란 필름을 제작하였다. 이 필름은 군사적 활용에서 적외선 감지 장비의 탐지를 회피하거나 열 신호를 효과적으로 제어할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 또한 스마트 윈도우와 스마트 팜과 같은 민간 응용 분야에서도 뛰어난 적외선 반사로 인한 열 차단 성능과 에너지 효율성을 제공하며8), 군사 전술 목적 활용은 물론 에너지의 상업적 효과적인 이점을 동시에 충족할 것으로 기대된다. 광 산란 필름을 제작하기 위해 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)과 Ag를 사용한 OMO (Oxide/Metal/Oxide) 및 OMOMO (Oxide/Metal/Oxide/Metal/Oxide) 구조를 적용하였다. ITO는 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO) 중의 하나로 n-type 금속 산화물이다. ITO는 약 3.5 eV에서 4.3 eV로 넓은 에너지 밴드갭을 가져 가시광선 영역에서는 높은 투과율을 가진다9). 또한, AZO (Aluminum-doped Zinc Oxide) 대비 우수한 내구성과 높은 가시광 투과율을 가지며10), IGTO (Indium Gallium Tin Oxide)에 비해 박막 형성이 용이하여 OMOMO 구조에서 안정적인 물성을 확보할 수 있다11). OMO 및 OMOMO 구조에서 금속층으로는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등이 사용되며 그중에서도 Ag는 타 금속들에 비해 비저항이 낮고, 빛의 분산 특성이 우수해 적외선 반사 계수가 높다12). OMO 다층박막 구조는 상하부의 산화물층이 금속 박막을 산화 및 열화되는 것을 보호하며, 전기적 특성을 유지하면서 전체 구조의 내구성을 높여준다13). 또한 OMO 구조 내 금속 산화물과 금속층의 경계에서 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)이 발생하여 빛이 금속층과 산화물층 사이에서 여러 차례 반사 및 산란된다. 이를 통해 더 효과적으로 적외선 파장대의 빛을 반사하게 되어 가시광 영역의 빛을 효과적으로 투과하면서도 열 흐름에 관여하는 장파장의 빛인 적외선을 기능적으로 제어하는 특성을 발휘한다14).
Fig. 1은 OMOMO 구조가 적용된 광 산란 필름에서 빛이 투과되는 과정을 설명한 도식이다. OMOMO 구조는 OMO 구조에서 금속 산화물과 금속층을 추가한 형태로 브래그 법칙과 스넬 법칙에 의해 광학적 특성이 결정된다. 브래그 법칙은 각 층의 두께와 층의 개수, 굴절률에 따라 반사도를 결정하고15), 스넬 법칙은 각 층의 굴절률의 차이로 인해 빛이 반사됨을 나타낸다16). 따라서 ITO와 금속의 굴절률 차이로 인해 각 층에서 빛이 반사되거나 투과되고 다층 구조에서 이 과정을 반복한다17). ITO의 굴절률은 2.1로 높고 Ag는 0.14로 낮다. 이 값의 차이로 빛이 그대로 통과되지 않고 빛의 입사각과 경로가 변화하여 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사하거나 투과하게 된다. 특히 장파장의 영역의 빛은 간섭 효과로 인해 반사율이 증가하고 가시광 영역 파장의 빛은 반사가 억제되어 주로 투과된다. 또한, OMOMO 구조는 OMO 구조에 비해 더 많은 층을 가지는 다층 구조로 브래그 법칙에 따라 특정 파장에서의 빛의 반사율은 더욱 증가한다18).
본 연구에서는 나노 입자 기술과 고성능의 고분자 소재(Polyethylene Terephthalate, PET)를 기반으로 하여 제작한 광 산란 필름과 OMO 구조, OMOMO 구조의 필름을 비교 분석함으로써 OMOMO 구조 필름의 적외선 차폐 성능 향상과 열 차단율을 확인하였다. 또한 스마트 팜과 스마트 윈도우, 군사적 응용에서도 활용될 수 있도록 가시광 투과율을 고려하고 적외선 반사율을 높이는 방안을 통해 OMOMO 구조의 광 산란 필름 적용 가능성을 고찰하였다.
2. 실험 방법
본 실험에서는 OMO 구조와 OMOMO 구조의 필름을 제작하기 위해 PET 기판 위에 ITO와 Ag를 증착하였다. 증착하기에 앞서 먼저 N2 가스(Nitrogen gas)를 이용하여 PET 필름 표면에 붙은 이물질을 제거하였다. 실험공정은 Fig. 2에 나타낸 순서로 진행되었으며, Fig. 2(a), (b)는 각각 OMO 구조와 OMOMO 구조의 공정과정을 보여준다. 소자를 제작하기 위해 Magnetron Sputtering System (SNTEK- 12SN048)을 통해 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 방식을 사용하였다. ITO는 상온(Room Temperature, RT)에서 RF 50 W, Ar flow 50 sccm, 공정압력 5 mtorr로, Ag는 상온에서 DC 50 W, Ar flow 50 sccm, 공정압력 5 mtorr로 증착을 진행했다. OMO 구조에서 ITO는 상층부는 35 nm, 하층부는 50 nm 두께로 증착하고 Ag층은 15 nm로 증착했다. OMOMO 구조에서는 ITO 상층부는 35 nm, 하층부는 50 nm, 중간층은 75 nm로 증착하였으며 Ag층은 상층부는 10 nm, 하층부는 15 nm 두께로 증착했다. 각 층의 두께는 증착 전 Essential Macleod Program을 활용하여 ITO (상·중·하부) 및 Ag 층의 최적 두께를 결정하였으며, 이후 반복적인 실험을 통해 실제 증착된 필름의 투과도를 측정하고 분석하였다. 이 과정에서 최적의 적외선 반사율과 가시광선 투과율을 확보할 수 있도록 실험적 조정을 수행하였으며, 최적 성능을 보이는 조건의 두께를 적용하였다.
제작된 필름의 광학적 투과율과 적외선 반사율 특성을 확인하기 위해 분광 광도계(UV-Vis spectrophotometer, UV-2600)를 이용하였다. 그리고 태양열 필름 온도측정기(LS301)를 사용하여 필름의 열 차단율과 열 차단 온도를 측정하여 적외선 반사율과 열 차단 성능 간의 상관관계를 분석하였다. 또한 필름의 증착 구조를 확인하기 위해 전계 방출형 주사 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM 7800F)를 사용하여 필름의 단면(Cross Section)을 관찰하였다. 전기적 특성은 4-Point-Probe (CMT-100S/J)를 사용하여 면저항(Ω/□)을 측정하여 확인하였다.
3. 결과 및 토의
3.1 OMOMO 구조 특징
ITO와 Ag층이 반복적으로 배열된 OMOMO 구조는 특정 파장에서의 반사율을 극대화하기 위해 정밀하게 설계된 다층 구조로, 본 연구에서 수행된 실험 결과들은 이러한 구조의 적외선 반사 성능을 중심으로 분석되었다. 특히, OMOMO 구조의 광학적 특성은 브래그 법칙(Bragg’s Law)18), 스넬 법칙(Snell’s Law)16), 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)14) 등의 물리적 원리로 설명되며, 이들 이론은 모두 적외선 영역에서 반사 효과를 극대화하는 데 중요한 역할을 한다. 실험을 통해 확인된 결과 역시 이러한 물리적 원리들이 적외선 반사 성능을 강화하는 방향으로 작용하고 있음을 뒷받침하며, OMOMO 구조의 적외선 차단 및 반사 성능을 효과적으로 평가할 수 있음을 보여준다.
Fig. 3(a)는 OMOMO 구조 내에서 발생되는 브래그 법칙을 도식화한 것이다. 브래그 법칙에 따르면, 식(1)과 같이 반사율은 층의 두께(), 각 층의 굴절률()에 따라 결정되며, 다층 구조에서 빛이 각 층의 경계면에서 반사되어 서로 간섭을 일으키게 된다. 특히 층의 두께와 굴절률, 그리고 빛의 입사각이 각각의 물질마다 특정 조건을 만족할 때 파장 간섭이 발생하여 특정 파장에서 강한 반사가 이루어진다18). 각 층의 두께가 특정 파장의 절반에 가까운 두께로 설정되면 브래그 법칙을 만족시켜 반사 간섭효과를 극대화할 수 있으며, 빛의 입사각이 수직(0°)에 가까울수록 긴 파장에서 강한 반사가 일어나게 된다15). 따라서 OMOMO 구조의 ITO와 Ag층의 두께와 굴절률이 주기적으로 달라지므로, 특정 파장에서 반사율이 증가하는 간섭 효과가 발생하여 효율적인 반사가 가능해진다19). 이와 같은 원리를 통해 OMOMO 구조는 원하는 파장대에서 최대의 반사율을 얻을 수 있도록 설계될 수 있다.
또한 스넬 법칙은 OMOMO 구조 내 빛의 경로를 설명하는 데 중요한 역할을 한다. 식(2)에서 과 는 각각 두 매질의 굴절률, 은 각 매질에서의 빛의 각도이다. 서로 다른 굴절률을 지닌 ITO와 Ag층 사이에서 빛은 경계면을 통과하며 굴절과 반사를 반복적으로 겪게 된다14). 특히 굴절률 차이가 큰 두 매질을 사용함으로써 경계면에서의 강한 반사가 유도되고, 이러한 반복적인 다중 반사를 통해 구조 전체의 반사율이 높아지게 된다. 이러한 다층 구조의 특성은 특히 적외선 파장에서 높은 반사율을 구현하는 데 효과적이다20).
OMOMO 구조는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 효과를 통해 특정 파장에서의 반사율을 더욱 극대화한다. 표면 플라즈몬 공명은 금속과 유전체층의 경계면에서 특정 파장의 빛에 의해 자유 전자들이 집합적 진동을 일으키는 현상으로, 금속층이 얇을수록 그 효과가 크게 나타난다14). ITO는 고주파 영역에서 유전체와 유사한 성질을 보이며, Ag는 금속 물질로 자유 전자들이 존재하기 때문에, 경계면에서 빛의 전기장이 자유 전자와 상호작용하여 공명을 유도한다21). Fig. 3(b)와 같이 OMOMO 구조 내 Ag층의 두께가 약 10 nm, 15 nm로 매우 얇게 증착되었기에 경계면에서의 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하며, 그로 인해 적외선 영역에서 높은 반사율을 나타내게 된다22). 특히 OMOMO 구조는 다층으로 금속층이 삽입됨에 따라 표면 플라즈몬 공명 효과가 더욱 강하게 발생되어 OMO 구조에 비해 적외선 반사율이 훨씬 우수하다23).
3.2 OMOMO 물성 특징
Fig. 4는 각 소자의 증착 구조를 확인하기 위해 전계 방출형 주사 현미경을 사용하여 단면을 100,000배 확대하여 촬영한 이미지이다. Fig. 4(a)와 (b)는 각각 ITO/Ag/ITO가 50/15/35 nm와 ITO/Ag/ITO/Ag/ITO가 50/15/75/10/35 nm로 증착된 구조를 보여준다.
Table 1은 OMO 구조와 OMOMO 구조의 AVT (Average Visible Transmittance)와 550 nm 파장대의 투과율 그리고 면저항과 σd.c. (직류 전도도)/σopt (광학 전도도)을 표로 나타낸 것이다. T(λ)는 시료의 투과율이고 P(λ)는 사람 눈 광시 반응, S(λ)는 AM1.5G 광원의 분광특성이다. AVT는 식(3)처럼 평균 가시광선 투과율로 400 nm에서 800 nm 사이의 가시광선 범위에서 평균적으로 얼마나 많은 빛을 투과시키는지 나타낸 것이다. OMO 구조는 71%을, OMOMO 구조는 비교적 낮은 53%의 투과율을 가진다. OMO 구조와 OMOMO 구조는 각각 5.8 Ω/□, 1.8 Ω/□으로 측정되었다. 이를 통해 금속층에 Ag를 더 많이 증착한 OMOMO 구조가 OMO구조에 비해 더 낮은 면저항을 가지며, 전기적 전도성이 우수함을 확인할 수 있다. 이는 Ag의 높은 전도성 때문에 필름의 전반전인 전기적 특성이 개선되었음을 알 수 있다. FoM은 광학적 투과도와 전기전도도를 동시에 고려하여 소자의 성능을 평가하기 위해 사용되는 지표이다. 최근에는 식(4)와 같이 σd.c.와 σopt의 비율을 활용한 FoM이 일부 활용되고 있다24). 이 비율이 클수록 전기적 전도성이 뛰어나면서 광학적 투과율이 높아 소자의 성능이 우수함을 의미한다. OMOMO 구조가 OMO 구조보다 AVT는 다소 낮지만 면저항이 약 절반 수준으로 낮아 FoM이 118.09로 OMO보다 더 높은 것으로 나타났다. 이는 OMOMO 구조가 OMO 구조 대비 광학적 특성뿐 아니라 우수한 전기적 전도성을 보여 투명전극으로 활용할 가능성 또한 높음을 알 수 있다.
Table 1.
Optical and electrical properties, FoM of OMO and OMOMO
| Sample | AVT [%] | Rs [Ω/□] | σd.c./σopt |
| OMO | 71 | 5.8 | 79.57 |
| OMOMO | 53 | 1.8 | 118.09 |
3.3 OMOMO구조의 광학적 특성
Fig. 5는 OMO 구조와 OMOMO 구조를 도식화한 그림과 실제 필름을 촬영한 사진이다. OMO 구조와 OMOMO 구조 둘 다 육안으로 분명할 정도의 높은 투명성을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 OMOMO (50/15/75/10/35) 구조의 필름과 OMO (50/15/35) 구조의 필름, PET필름, 그리고 상용제품 M사 제품의 필름을 비교 대상으로 선정하였다. 이는 OMOMO 구조와 OMO 구조의 차별성을 확인하고, 기존 광 산란 필름과 비교하여 OMOMO 구조의 우수성을 평가하기 위함이다. 특히 PET 필름과 M사 제품은 기존에 널리 사용되는 상용 필름으로, OMOMO 구조 필름의 성능을 기존 기술과 비교하고 평가하기 위한 기준으로 선정되었다.
Fig. 6는 분광 광도계를 이용하여 각 필름의 광학적 특성, 적외선 반사율을 나타낸 그래프이다. Fig. 6(a)에서 OMO 구조와 OMOMO 구조, PET 필름, 그리고 M사 제품의 광학적 투과율을 비교하였다. 인간의 눈에 가장 시인성이 좋은 파장대인 550 nm에서 OMO 구조의 투과율은 74%, OMOMO 구조는 72%, M사 제품의의 구조는 47%, PET 필름은 91%임을 확인할 수 있었다. 이를 통해 OMOMO 구조는 다른 광 산란 필름과 비교해도 가시광 투과율이 우수함을 알 수 있다.
Fig. 6(b)는 근적외선 영역 1400 nm에서 OMOMO 구조가 82%로 가장 높은 반사율을 보여주었으며, 그 뒤로는 OMO 구조, M사 제품, PET 필름 순으로 나타났다. OMOMO 구조는 550 nm에서 70%대의 가시광 투과율을 유지하면서도, 적외선 반사율에서 매우 우수한 성능을 나타냈다. 이는 필름이 열에 해당하는 파장을 선택적으로 반사할 수 있음을 보여준다.
Table 2는 550 nm 투과율과 1400 nm 반사율, 열 차단율 및 열 차단 후 온도를 OMO, OMOMO 필름, M사 제품과 PET 필름과 기존 연구에서 보고된 다양한 필름을 비교한 것이다. 열 차단율과 열 차단 후 온도는 측정 장치 내부에서 시료에 빛을 3분간 조사한 후 기록된 값이다. 열 차단율(R)은 열 차단 전 전달된 에너지와 열 차단 후 에너지를 식(6)처럼 계산한 것이다. 각 필름의 m (질량)과 c (비열)은 동일하므로 식(5)에 의해 열량(Q)은 온도 변화량(ΔT)로 치환하여 열 차단율을 구할 수 있다. OMOMO 구조는 96%로 가장 높은 열 차단율을 보였으며, 열 차단 후 온도는 25.7℃로 가장 낮았고 M사 제품이 60%, 29.1℃로 뒤를 이었다. OMO 구조는 비교적 낮은 58%의 열 차단율과 높은 29.7℃의 열 차단 후 온도를 보였다. OMO 필름이 M사 제품보다 1400 nm까지의 반사율이 높음에도 불구하고, 열차단율이 낮게 측정된 이유는 M사 제품이 1400 nm 이상의 장파장 영역에서 OMO 필름보다 상대적으로 더 높은 반사율 또는 흡수율에 기인하는 것으로 판단된다. 이러한 차이로 인해 M사 제품의 열차단 성능이 상대적으로 우수하게 나타났다. 또한 550 nm 파장대에서 OMO 구조와 OMOMO 구조의 투과율이 유사하게 측정되었으며, 특히 기존연구에서 보고된 다양한 광 산란 필름과 비교했을 때에도 OMOMO 필름이 준수한 가시광선 투과율을 유지하면서도 높은 적외선 반사율을 통해 가장 효율적인 열 차단 효과를 보임을 알 수 있었다.
Table 2.
Comparison of visible and near-Infrared transmittance, reflectance, thermal insulation rate and temperature for different sample cases
| Sample |
Transmittance at 550 nm [%] |
Reflectance at 1400 nm [%] |
Thermal insulation rate [%] |
Thermal insulation temperature [℃] | Reference |
| VTIR Nanomesh | >80 | >80 (@ 9.5 | - | - | (25) |
| Silica-Silicon film | - | 75 | - | - | (26) |
|
TiO2/Ag/TiO2 (30/10/30) | 68 | 33 | - | - | (27) |
|
TiO2/SiO2/TiO2 (150/165/150) | - | 57 | - | - | (28) |
| M sample | 47 | 31 | 60 | 29.1 |
Commercial sample |
| PET film | 91 | 9 | 11 | 38.6 | - |
|
OMO (50/15/35) | 74 | 51 | 58 | 29.7 | This study |
|
OMOMO (50/15/75/10/35) | 72 | 82 | 96 | 25.7 | This study |
3.4 OMOMO 실제 응용
Fig. 7(a)는 OMOMO 구조의 필름이 부착된 상의를 적외선 카메라로 전신 촬영한 앞면 사진이고, (b)는 필름이 부착되지 않은 상의의 뒷면을 촬영한 사진이다. (a)는 OMOMO 필름이 부착된 상의는 적외선을 반사하여 주변 배경과 색상이 유사하게 나타나는 반면, 필름이 부착되지 않은 상의 뒷부분과 머리, 하체 부분은 빨간색으로 뚜렷한 색상 차이를 보인다. 이를 통해 OMOMO 구조의 필름이 적외선을 효과적으로 반사함으로써 적외선 카메라에 탐지되지 않을 수 있음을 알 수 있다. 이러한 특성은 열상 감시장비(Thermal Observer Device)나 야간투시경과 같은 원적외선뿐만 아니라 근적외선을 활용한 탐지 시스템에서도 적외선 탐지를 회피하는 데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
4. 결 론
본 연구는 파장 제어기능을 가지는 투명한 OMOMO 필름을 설계하고 성능을 분석하였다. 이를 통해서 효과적인 가시광 영역의 빛을 투과하여, 사람의 눈에는 투명하게 보이며, 적외선을 차단 및 반사하는 성능을 구현하였다. 이 연구에서는 이를 실제로 적용한 사례를 통해 응용 가능성을 입증한 점에서 의의가 있다.
OMO 구조 필름은 550 nm에서 74%의 투과율과 1400 nm에서 51%의 반사율을 나타낸 반면, OMOMO 구조 필름은 550 nm에서 72%의 투과율과 1400 nm에서 82%의 반사율을 보여주었다. 두 필름 모두 인간의 눈에 민감한 550 nm 부근에서 높은 가시광선 투과율을 가지며, 특히 OMOMO 구조는 OMO 구조와 가시광선 투과율은 유사하지만 더 높은 적외선 반사율을 보여주었다. 이는 OMOMO 구조가 열에 대한 파장을 효율적으로 선별하여 더 우수한 열 차단 성능을 입증했음을 보여준다.
이러한 격층 구조의 OMOMO 필름은 다양한 응용 분야에서 실질적인 활용 가능성을 보이며, 스마트 윈도우, 스마트 팜, 및 광 산란 필름 등에 적용하여 에너지 효율을 극대화하고 지속 가능한 에너지 관리에 기여할 수 있다. 특히, 스마트 윈도우에 적용할 경우 가시광선을 투과하면서 적외선을 차단해 냉방 에너지를 절감하고, 스마트 팜에서는 열 축적을 방지하여 작물 생육 환경을 최적화할 수 있다. 또한, 열 감지 장비(적외선 카메라)로부터 적외선 탐지를 회피하는 기능을 통해 군사적 위장 및 보안 기술로 활용될 가능성이 높다. 경제적 측면에서도, 기존 적외선 차단 필름 대비 제조 공정이 단순하면서 높은 성능을 유지해 원가 절감이 가능하다. 이러한 특성을 바탕으로 OMOMO 필름은 다양한 산업 및 방위 분야에서 핵심 요소기술로 발전할 가능성이 기대된다.
