나노기술로 특정문양을 육안으로 관찰 가능한 위조방지 필름 개발

- 화폐, 고가의 상품, 여권, 주민등록증 등 활용분야 광범위

 

  고성능 스캐너와 프린터 기술의 발달로 지폐나, 여권 등 위조 발생 건수는 갈수록 늘고 있다. 이러한 범죄를 막기 위한 여러 가지 위조방지 기술이 있지만, 복제하기가 쉽거나 소비자가 쉽게 판독하기 어려운 문제가 있었다. 최근 국내 연구진이 저 비용으로 높은 보안성을 확보할 수 있는 위조방지 기술을 개발했다.

  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 나노포토닉스연구센터 고형덕 박사팀은 적외선을 쪼여 진품여부를 감별할 수 있는 나노기술을 활용한 위조방지필름을 개발했다.  KIST 고형덕 박사 연구팀은 적외선을 가시광선으로 변환시킬 수 있는 상향변환* 나노형광체와 금속 나노와이어로 구성된 위조방지 필름을 제작하여, 적외선에 노출시키면 보다 효과적으로 특정문양이나 색을 육안으로 관찰 수 있음을 확인했다.
*상향변환(Upconversion) : 두 개 혹은 그 이상의 낮은 에너지 광자를 흡수하여 하나의 높은 에너지 광자를 방출하는 현상

  연구진은 금속 나노와이어에서 발생하는 플라즈몬* 특성을 이용하여, 적외선을 쪼였을 때 발생하는 가시광선의 발광 강도를 크게 증가시킬 수 있었다. 뿐만 아니라, 이 기술의 핵심은 개발한 위조방지필름을 한번 사용하고 나면 플라즈모닉 특성이 재현되지 않아서, 적외선을 다시 쪼여도 색 혹은 문양을 확인할 수 없다. 따라서, 진품의 인증 라벨을 복제하여 재활용 할 수 없는 고(高)보안성 위조방지기술이 될 것으로 기대하고 있다. 
*플라즈몬 : 금속 표면에 자유전자가 집단적으로 진동하여 발생하는 표면 전자기파

[그림] 위조방지 필름을 한번 사용하고나면 재사용이 불가능하다

  연구진은 개발된 위조방지 필름에 구성되는 금속 나노와이어 및 형광체의 특성이 제조환경에 매우 민감하고, 이들의 복합적인 구조에서 발생하는 가시광선 스펙트럼과 발광세기가 고유하여 복제 자체가 어려울 것으로 전했다. 고형덕 박사는, “해당 기술은 高보안성 위조방지기술임에도 불구하고, 낮은 비용으로 대면적 제작이 가능하여, 지폐를 비롯한 고가의 제품에 광범위하게 적용할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(전담기관: 한국연구재단) 미래유망융합기술 파이오니어사업 스펙트럼제어 융합연구단(단장: 한일기 박사/KIST) 및 산업통상자원부(전담기관: 한국에너지기술평가원)의 에너지기술개발사업 지원과 한국과학기술연구원 기관고유사업을 통해 수행되었다. 연구결과는 재료공학분야 국제저명학술지인 Advanced Functional Materials紙(IF:11.382)에  11월 17일자 최신호에 게재되었다.

(논문명) Plasmonic Nanowire-Enhanced Upconversion Luminescence for Anticounterfeit Devices    
            - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박기선 학연생
            - (교신저자) 한국과학기술연구원 고형덕 박사

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   - 간단한 공정과 저비용으로 초고효율 나노플라즈모닉 필름 개발
   - 센서, 고효율 태양전지 등 IoT분야에서 광범위하게 활용
       *근적외선 : 적외선 중 파장이 가장 짧은 것

 

한국과학기술연구원 (KIST, 원장: 이병권) 나노포토닉스연구센터의 고형덕 박사, 권석준 박사로 구성된 공동연구팀은, 매우 높은 효율로 근적외선을 가시광선으로 변환시킬 수 있는 플라즈모닉 나노구조체*를 개발하였다.
*플라즈모닉 나노구조체 : 금속 표면에 자유전자가 집단적으로 진동하여 발생하는 전자기파를 생성시킬 수 있는 금속/유전체로 구성된 나노 구조체

 

낮은 에너지의 적외선 광자가 높은 에너지의 가시광선 광자로 변환되는 상향변환 (Upconversion) 발광은, 태양전지, 광검지기*, 바이오 이미징 등 광범위한 응용 가능성이 높을 것으로 기대되어 왔으나, 현재까지는 변환 효율이 매우 낮다는 문제점으로 인해 그 적용에 제한이 있었다.
*광검지기 : 광 신호를 전기 신호로 변환시켜서 그 신호를 검출할 수 있는 소자

 

연구팀은 비주기적으로 배열된 플라즈모닉 금속 나노구조체를 이용하여, 기존의 상향변환 강도를 최대 1,300배 이상 증폭시킬 수 있음을 확인하였고, 이를 이용하여 기존 방식과 차별화된 근적외선 광검지기까지 개발하는데 성공하였다. 해당 기술은 정밀한 반도체 패터닝 공정을 거치지 않고도, 상대적으로 낮은 비용과 대면적에 상향변환 기능성 필름 제작이 가능하다는 장점으로 인해 다양한 분야에 대한 응용이 용이해질 것으로 기대되고 있다.

 

이번 연구를 통해 고형덕 박사는 “매우 간단한 공정으로도 근적외선 변환효율을 극대화시켰다는 점에서 의미가 있는 연구이며, 이러한 근적외선 변환기술을 활용하면, 향후 안개-미세먼지 등의 저시야 환경에서도 뚜렷한 사물 관찰이 가능한 카메라 이미지 센서, 3차원 위치 분석 이미징 센서 등에 적용이 가능하며, 태양전지의 효율 향상에도 기여할 수 있을 것이다” 라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(전담기관: 한국연구재단) 미래유망융합기술 파이오니어사업 스펙트럼제어 융합연구단(단장: 한일기 박사/KIST) 및 산업통상자원부(전담기관: 한국에너지기술평가원)의 에너지기술개발사업, 그리고 한국과학기술연구원 기관고유사업 지원을 통해 수행되었다. 연구결과는 재료공학분야 국제저명학술지인 Advanced Materials紙(IF:18.960) 9월 28일자 전면 표지 논문으로 선정되어 게재되었다.

* (논문명) ‘Photodetectors: A Plasmonic Platform with Disordered Array of Metal Nanoparticles for

               Three-Order Enhanced Upconversion Luminescence and Highly Sensitive

               Near-Infrared Photodetector ’
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권석준 박사, 정기남 박사, 이기용 학생연구원
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 고형덕 박사, 권석준 박사

 

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