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POSTECH 이기라 교수팀, 미(Mie) 산란 강하게 일으키는 구형 나노입자 대량 생산 기술 개발

박영재 기자 | 기사입력 2022/09/19 [10:36]

POSTECH 이기라 교수팀, 미(Mie) 산란 강하게 일으키는 구형 나노입자 대량 생산 기술 개발

박영재 기자 | 입력 : 2022/09/19 [10:36]

【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=하늘의 구름이 하얗게 보이고 우유가 흰색인 이유는 빛이 구름 속 물방울 또는 우유 속 기름방울과 만나 생기는 미 산란(Mie Scattering) 때문이다. 미 산란은 물질을 구성하는 입자의 크기와 빛의 파장이 비슷할 때 일어나는 산란을 말한다. 입자의 크기를 일정하게 만들면 특정 파장의 빛만을 반사해 염료 없이도 특정한 색을 띠게 할 수 있다.

 

▲ POSTECH 이기라 교수 연구 관련 이미지  © 포스텍


POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 이기라 교수·고분자연구소 문정빈 박사 연구팀은 미 산란을 강하게 일으키는 구형 금속 산화물 나노입자의 대량 생산 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

 

입자의 크기를 조절해 반사되는 파장과 물질의 색을 자유자재로 바꿀 수도 있다.

 

비정질상태인 이산화티타늄(TiO2)에 열을 가하면 무질서하던 입자가 규칙적으로 배열된다. 다만, 이때 이산화티타늄의 모양이 뾰족뾰족한 침상형 또는 평평한 판상형으로 바뀐다는 한계가 있었다. 물질에 들어 있는 탄소가 열에 의해 공기 중으로 흩어지며 모양이 흐트러지는 탓이다.

 

이러한 이산화티타늄에 빛을 쏘면 입자들이 제각기 다르게 산란하며 색이 흐리게 보였다. 어느 방향의 빛을 받아도 일정하게 미 산란을 일으키는 구형의 이산화티타늄이 필요했던 이유다.

 

연구팀은 이산화티타늄 나노입자에 열을 가해, 탄소가 포함된 구형 루타일(Rutile) 나노입자로 바꾸는 데 성공했다. 그 결과, 이 입자는 빛의 굴절률이 매우 높아 미 산란을 강하게 일으키는 것으로 조사됐다. 빛을 사방으로 반사하는 기존 물질과 달리, 특정 빛만 강하게 반사해 육안으로도 선명한 색을 볼 수 있었다.

 

이 연구성과는 향후 위조 방지 장치 또는 자율주행 자동차용 라이다(LiDAR) 센서의 성능과 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 기술로 이목을 끈다. 입자가 가시광선과 근적외선 영역에서 파장에 따라 다른 색을 띠기 때문에, 특정 파장에서만 보이거나 특정 파장만을 검출하는 소재로 활용될 수 있기 때문이다.

 

한편, 국제 학술지 ‘케미스트리 오브 머터리얼스(Chemistry of Materials)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단, 한국도레이과학진흥재단, 삼성전자 산학협력과제의 지원을 받아 이뤄졌다.

 

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 

 Prof. Ki-Ra Lee's team at POSTECH develops technology for mass production of spherical nanoparticles that cause strong Mie scattering

 

 Why do the clouds in the sky look white? Why is milk white? This is due to Mie Scattering, which occurs when light meets water droplets in clouds or oil droplets in milk. Non-scattering refers to scattering that occurs when the size of particles constituting a material and the wavelength of light are similar. If the particle size is made constant, only light of a specific wavelength can be reflected and a specific color can be obtained without dyes.

 

  POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-hwan) Professor Ki-ra Lee of the Department of Chemical Engineering and Dr. Jeong-bin Moon of the Polymer Research Institute announced on the 19th that they have developed a technology for mass production of spherical metal oxide nanoparticles that strongly cause scattering.

 

 By adjusting the particle size, the reflected wavelength and the color of the material can be freely changed.

 

  When heat is applied to titanium dioxide (TiO2), which is in an amorphous state, disordered particles are regularly arranged. However, there was a limitation in that the shape of titanium dioxide was changed to a sharp needle-shaped or flat plate-shaped shape. This is because the carbon in the material is dispersed into the air by heat and its shape is disturbed.

 

  When light was irradiated on the titanium dioxide, the particles scattered differently and the color looked blurry. This is the reason why a spherical titanium dioxide was needed that caused constant non-scattering no matter what direction the light was received.

 

  The research team succeeded in converting titanium dioxide nanoparticles into spherical Rutile2) nanoparticles containing carbon by applying heat. As a result, it was investigated that this particle has a very high refractive index of light and strongly causes non-scattering. Unlike conventional materials that reflect light in all directions, only a specific light is strongly reflected, making it possible to see vivid colors with the naked eye.

 

  This research result draws attention as a technology that can dramatically increase the performance and productivity of anti-counterfeiting devices or LiDAR sensors for autonomous vehicles in the future. This is because the particles have different colors depending on the wavelength in the visible and near-infrared regions, so they can be seen only at a specific wavelength or can be used as a material that detects only a specific wavelength.

 

  Meanwhile, this research, which was recently published in the international academic journal ‘Chemistry of Materials’, was supported by the National Research Foundation of Korea, the Toray Science Promotion Foundation Korea, and Samsung Electronics’ industry-academic cooperation project.

편집국장 입니다. 기사제보:phk@breaknews.com
 
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