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금속 표면의 질감 및 광택을 유지하면서 선명한 색상을 구현하는 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 금속에 색상을 구현하는 방법 대부분은 양극 산화피막을 형성하거나 염료 및 안료에 의한 채색 방법에 의존하고 있다. 하지만 이러한 방법은 금속이 갖는 고유한 광택을 부여하기 어렵고 내구성 및 내화학성이 좋지 않아 색상이 바래지는 단점이 있다. 반면, 빛의 물리적 특성을 이용한 구조색은 색상이 일정하게 유지되며, 화학적으로도 비교적 안정적이라는 장점이 있다. 또한 금속 본연의 질감과 광택을 유지하기 때문에 화학색에 비해 비교적 더 선명하고 미려한 발색이 가능하다.
본 연구에서는 Metal-Insulator-Metal (...

금속 표면의 질감 및 광택을 유지하면서 선명한 색상을 구현하는 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 금속에 색상을 구현하는 방법 대부분은 양극 산화피막을 형성하거나 염료 및 안료에 의한 채색 방법에 의존하고 있다. 하지만 이러한 방법은 금속이 갖는 고유한 광택을 부여하기 어렵고 내구성 및 내화학성이 좋지 않아 색상이 바래지는 단점이 있다. 반면, 빛의 물리적 특성을 이용한 구조색은 색상이 일정하게 유지되며, 화학적으로도 비교적 안정적이라는 장점이 있다. 또한 금속 본연의 질감과 광택을 유지하기 때문에 화학색에 비해 비교적 더 선명하고 미려한 발색이 가능하다.
본 연구에서는 Metal-Insulator-Metal (MIM) 구조를 이용하여 금속 표면상에 선명하며 다채로운 색상을 구현하였다. 기존의 MIM 구조는 높은 반사율을 갖는 연속적인 금속 박막과 금속 기판을 사용하여 색상을 구현하였다. 본 연구에서는 비연속적으로 형성된 Au 나노 입자를 최상부 금속층으로 사용하여도 금속 표면상에 다채로운 색상을 구현할 수 있음을 보이고자 한다. Au target을 방전시키는 물리 증착법을 통하여 Au를 나노 입자의 형태로 증착하였고, MIM 구조에서 유전체 역할을 하는 TiO2는 반응성 증착법 (reactive sputtering)으로 형성하였다.
TiO2층 상에 Au 나노 입자가 존재하게 되면, 더욱 선명한 색상을 구현할 수 있음을 관찰하였고, 색상의 선명도는 Au 나노 입자의 분율을 증가시키면 향상되는 것을 알 수 있었다. Au 나노 입자, Air 그리고 TiO2의 분율은 Auger Electron Spectroscopy (AES)를 통해 확인하였다. 특히, Air의 분율은 측정이 불가능하므로 30 nm의 Ag 박막을 시편에 증착하였으며, AES 결과로부터 Ag가 모두 식각되어 더는 분석되지 않는 만큼을 MIM 구조에서 Air가 차지하는 함량으로 간주하였다. 각 성분이 차지하는 체적비에 따른 색상 변화는 CIELAB 색 좌표에 나타내었다. 또한, TEM 단면 사진으로부터 TiO2 박막이 기둥 형상 (columnar structure)으로 성장하는 것을 확인하였다. 따라서 MIM 구조의 최상부층에서 Au 나노 입자, 공기 그리고 TiO2 박막을 하나의 복합체로 가정하여 나타나는 광학적 현상을 해석하고자 유효매체이론 (Effective Medium Approximation)을 도입하였다. AES 결과로부터 얻어진 각 성분의 체적비를 시뮬레이션으로 산출한 반사율 스펙트럼과 실험적으로 측정한 결과값을 비교 분석하였다. 현재까지 알려져 있는 여러 유효 매체 이론 중 본 연구에서는 게재물과 기지가 갖는 분극 유전 상수를 동일하다고 가정하는 Bruggeman Effective Medium Approximation (EMA)을 도입하여 다층 박막의 반사율 변화를 확인하였다. 그 결과, 실험적으로 측정한 다층 박막 구조의 반사율과 EMA를 적용하여 계산한 반사율은 유사한 결과를 갖는다는 것을 확인하였다. 또한, 반응성 스퍼터링을 통해 제작한 TiO2 박막과 Au 나노 구조의 plasma pulse 횟수에 따른 성장 거동을 투과 전자 현미경 TEM을 이용하여 확인하였다. Au 나노 구조의 plasma pulse가 증가할수록 Au 나노 구조가 밀도를 갖는 박막으로 성장한다는 것을 확인하였고 표면에 요철 구조를 갖는 TiO2 층의 빈 공간 내부에도 Au 나노 입자가 존재한다는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 금속 나노 입자와 유전체로 구성된 2 원계 복합체의 광학 현상을 해석하기 위해 도입된 유효 매체 이론을 Au, Air, TiO2 박막을 나노 박막 복합체로 간주하여 3 원계 유효 매체 이론으로 확장하여 해석하였다.
기존의 연구들을 통해 다층 박막 구조의 발색 연구는 이미 많이 알려졌지만, 본 연구를 통하여 금속 나노 입자와 유전체 다층 박막 구조 또한 간섭 현상을 강화해 반사 스펙트럼의 극대 또는 극솟값을 제어할 수 있으며, 금속이 갖는 고유한 질감 및 광택을 유지함과 동시에 다양하고 선명한 색상을 구현할 수 있다는 것을 관찰하였다.
여러 금속 중에서도 특히 알루미늄은 약 90%에 이르는 높은 반사율을 갖기 때문에 선명한 색상을 구현하기 어렵다는 점에서 기인하였다. 또한 알루미늄은 쉽게 구할 수 있는 금속이기도 하다. 따라서 Au 나노 구조의 부피 분율과 TiO2 박막의 두께를 달리하여 높은 반사율을 갖는 Al 금속 표면상에 다채로운 색상을 구현하였다.
본 연구에서는 기존의 연속적인 금속 박막 층을 사용한 MIM 구조의발색 연구들과는 달리 Au 나노 구조의 부피 분율을 제어하여 광학 상수를 밀도 있는 박막에 비해 더 세밀하고 다양하게 조절할 수 있으며 다원계 물질을 하나의 복합체로 간주하여 해석하였다.

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