<사진 1> 해리포터와 불의 잔의 한 장면 (출처: 씨네21)

영화 ‘해리포터와 불의 잔’에서 어둠의 마법 방어법 교수로 나오는 매드아이 무디는 마법의 의안을 끼고 있습니다. 작중에서는 ‘마법의 눈’이라고 불리는데 이 눈은 모든 방향으로 360도 회전하며 투시 능력까지 있습니다. 또한 탈부착까지도 가능해 굴러다니기도 하죠. 죽음을 먹는 자들과 싸우다가 한 눈을 잃었다고 하는데, 마법 세계가 아닌 현실 세계에서도 수많은 사람들이 사고나 유전적 질병 혹은 갑작스러운 질병으로 인해 시력에 문제가 생긴 사람들이 많습니다.

<사진 2> 사람 눈 구조 (출처:위키백과)

<사진 3> 렌즈 수차 (출처 : zum 뉴스)

구 형태인 사람의 눈은 곡률변화에도 다양한 파장대의 빛을 어떠한 시력 저하 없이 정밀하게 감지할 수 있지만 전자소자의 형태로 제작된 광검출기는 형태가 변화하면 빛 감지 능력이 떨어지게 됩니다. 따라서 사람의 눈을 모사하기 위한 광검출기의 가장 중요하고도 필요한 특성은 구형태에도 안정적으로 부착되어야 하고, 넓은 시야의 빛을 받아들일 수 있어야 하며, 수차가 적어야 합니다. 여기서 수차란 빛이 렌즈를 통해서 모이게 될 때, 사람의 수정체와 다르게 렌즈의 주변부로 갈수록 초점이 정확하게 맞지 않고 안으로 모이면서 일그러지는 현상을 이야기합니다.

<사진 4> 사람의 눈을 모사한 실리콘 기반의 전자눈 (출처: H. C. Ko, et al. Nature 2008, 454, 748)

사람의 눈을 모사하려는 많은 연구들이 진행되고 있습니다. 대표적으로 UIUC 대학의 Rogers 그룹에서 2008년에 발표한 논문에서는 사람의 눈을 실리콘 기반의 전자눈으로 모사하였습니다. 실리콘 소재는 현재도 상용화되서 사용되고 있을 정도로 성능이 좋은 반도체 소재입니다. 그러나 실리콘 소재 자체는 본질적으로 늘어날 수 없기 때문에 늘어날 수 있는 신축성 상용 고분자 (PDMS) 위에 각 실리콘 소재를 붙이고 사이를 이어주는 전극이 아치형을 띄도록 제작하였습니다.

<사진 5> 사람 눈과 곤충 눈 구조 (출처 : The Science Times)

<사진 6> 곤충의 눈을 모사한 실리콘 기반의 전자눈 (출처: Y. M. Song, et al. Nature 2013, 497, 7447)

또한 같은 그룹에서 2013년에는 사람의 눈구조보다 조금 더 발전된 형태라고 하는 절지동물의 겹눈 구조를 모사한 논문을 발표하였습니다. 각 광검출기 위에 PDMS로 만든 마이크로렌즈가 붙어 있는 형태로 제작이 되었습니다. 그러나 앞선 연구와 마찬가지로 실리콘 소재 자체는 본질적으로 늘어날 수 없기 때문에 각 광검출기 사이를 S자형 전극으로 연결하여 구형태로 늘렸을 때, S자형 전극이 펴지면서 늘어나도록 제작하여 응력으로부터 소자를 보호하였습니다. 이러한 방식은 소자의 성능 유지 측면에서는 탁월하지만, S자 형 전극은 일반 전극 대비 차지하는 면적이 크기 때문에 소자의 집적도가 떨어지는 단점이 있습니다.

이를 극복하기 위한 방법으로 최근 소재 자체가 늘어나는 신축성 소재 및 소자의 개발이 각광받고 있으나, 아직까지 기존 무기물 소재 기반 소자 대비 성능이 현저히 낮고, 끊임없는 외부 변형에도 전기적 성능이 일정하게 유지되어야 하지만, 늘렸을 때 처음처럼 완벽하게 복원이 불가능해 점차적으로 성능이 저하되는 문제가 있습니다.

<사진 7> 고신축성 양자점 반도체 나노복합소재 (출처: J. K. Song, et al. Nat. Nanotech. 2022, 17, 849)

손동희 IBS 나노입자연구단 객원연구원 연구팀은 2022년 전부 늘어날 수 있는 소재를 기반으로 다양한 형태로 변형해도 가시관선 영역의 빛을 정밀하게 감지 가능한 신축성 나노소자를 개발했습니다. 김대형 IBS 나노입자연구단 부연구단장 연구팀과 현택환 IBS 나노입자연구단 연구단장 연구팀과 공동연구를 통해 양자점 (CdSe Quantum Dots(QDs)), 유기 반도체성 고분자 (PDPP2T), 고무처럼 탄성력이 있는 탄성중합체 (SEBS)를 최적의 비율로 합성해 고신축성 양자점 반도체 나노복합소재를 개발했습니다.

<사진 8> CdSe 양자점 (출처: wikimedia commons)

양자점은 자체적으로 빛을 내는 수 나노미터 (nm)의 반도체 입자로 입자 크기에 따라 다른 주파수의 빛을 방출하는 등 독특한 광학적 성질을 지녀 QLED 등 다양한 광전소자로 응용되고 있고 유기 반도체성 고분자는 원자들이 단일/이중결합을 번갈아 형성해 전자가 이동 가능한 반도체 특성을 띄는 고분자입니다.

<사진 9> 나노복합소재 내의 양자점과 유기 반도체 소재 간의 상분리 현상 (출처: J. K. Song, et al. Nat. Nanotech. 2022, 17, 849)

연구진은 나노복합소재에서 나타난 탄성중합체 내의 양자점과 유기 반도체 소재 간의 상분리 현상에 특히 주목했습니다. 소재가 늘어나면 양자점의 간격이 벌어지며 전기적 성능이 떨어지지만 유기 반도체 소재가 이 간극을 메꿔 소재가 늘어나도 빛을 전기로 안정적으로 변환할 수 있게 하였습니다. 이런 상분리 현상에 의해, 빛을 흡수하는데 가장 핵심적인 역할을 하는 양자점이 나노복합소재의 바깥쪽 표면으로 위치하게 되어 빛을 더욱 효과적으로 감지할 수 있게 되고, 중간에 위치한 탄성중합체는 늘려진 나노복합소재에서 축적된 응력을 효과적으로 분산하여 변형에 따른 광 감지 성능의 안정성을 높이게 됩니다.

<사진 10> 다층구조 포토트랜지스터 어레이의 변형에 저하된 성능을 머신러닝 기법을 통해 보정 (출처: J. K. Song, et al. Nat. Nanotech. 2022, 17, 849)

연구진은 이러한 소재를 기반으로 서로 다른 빛 감응성을 지닌 다층구조 포토트랜지스터 어레이에서 측정 시 머신러닝을 적용해 신축성 전자소자가 가지는 물성적 한계를 보완하며 광전기적 성능 안정성을 높였습니다.

<사진 11> 반도체 공정이 가능해 10마이크로미터 (㎛) 수준까지 소형화 가능 (출처: J. K. Song, et al. Nat. Nanotech. 2022, 17, 849)

연구진은 여기에 더해 개발한 포토트랜지스터 어레이를 구성하는 모든 소재는 반도체 공정과 호환이 가능하고, 소자 집적도를 크게 높일 수 있어 상용화의 가능성을 확인했습니다. 기존 신축성 소재는 반도체 공정에서 변형이 일어나거나 녹아서 원하는 모양과 크기의 소자 제작이 어려웠는데, 연구진이 개발한 신축성 소재는 반도체 공정에 사용이 가능해 집적도를 기존보다 훨씬 높이며, 더 작은 크기의 소자를 만들 수 있어 고해상도 구현이 가능합니다.

<사진 12> 초광각 카메라 기술 (출처:시네마 시선)

<사진 13> 인공망막 이식 기술 (출처: 문화일보)

<사진 14> 곤충형 초소형 무인기 기술 (출처 : 쉘든의 밀리터리)

연구진이 개발한 포토트랜지스터 어레이는 구부리거나 늘려도 높은 해상도로 빛을 감지해 고해상도가 요구되는 광각 카메라나 인공망막 기술의 핵심 소자로 응용될 것으로 기대되고 있고 더 나아가 곤충형 초소형 무인기 등에 적용하여 적을 탐지, 식별, 추적하는 감시정찰체계로 운용될 것으로 기대가 되고 있습니다.

영화 속 매드아이 무디는 마법의 힘을 빌려서 새로운 눈을 얻었습니다. 하지만 나노 소재를 활용한다면 머지않은 미래에는 마법의 힘이 없어도 실명 또는 실명에 준하는 질병으로부터 자유로워질 수 이는 새로운 눈을 얻을 수도 있을 겁니다.

본 콘텐츠는 IBS 공식 포스트에 게재되며, https://post.naver.com/ 에서 확인하실 수 있습니다.