초소형 초고화질 미래형 디스플레이 핵심 기술 국내에서 최초로 개발
Plasmonic cavity-apertures as dynamic pixels for the simultaneous control of colour and intensity
1897년 독일인 브라운에 의해 브라운관(CRT)이 발명된 이래 거의 백년간 브라운관은 디스플레이와 거의 동격이었다. 그러나 컴퓨터와 각종 이동통신기기 등의 발달과 함께 브라운관을 대신해 평판 디스플레이(PDP, LCD 등)가 우리 삶 깊숙이 자리잡게 되었다.
이제 디스플레이 기술은 또 한 차원을 뛰어넘는 진화를 준비하고 있다. 휘고 접는 디스플레이는 물론, 실제와 구분이 안 될 정도로 생생한 영상을 구현하는 3D·홀로그램 디스플레이, 머리에 쓰고 가상현실을 체험하게 하는 헤드마운트(head-mount)형 디스플레이 등 공상과학(SF) 영화에서나 보던 미래형 디스플레이들이 하나씩 현실화되고 있다.
미래창조과학부와 한국연구재단은 지난 5월 20일 이런 미래형 디스플레이 시대를 앞당길 핵심 기술을 국내 한 연구진이 최초로 개발했다고 발표*했다.
* 네이쳐 커뮤니케이션스(논문명 : Plasmonic cavity-apertures as dynamic pixels for the simultaneous control of colour and intensity)
서울대 이병호 교수와 윤한식 박사는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구지원사업(리더연구자지원)을 통해 금속 나노구조물을 이용한 초소형 색상 가변 컬러 필터 개발의 가능성을 열었다.
지금까지의 각종 디스플레이는 한 개의 컬러 필터가 한 가지 색상 밖에는 표현할 수 없었다.
다양한 색을 표현하기 위해서는 적어도 삼원색(빨강, 초록, 파랑)의 컬러 필터가 필요하기 때문에 디스플레이는 한 개의 픽셀을 최소 세 종류의 컬러 필터들로 구성되어야 하므로 초고해상도 픽셀 개발에 근본적인 제약이 있었다.
연구팀은 이러한 색상 고정형 컬러 필터의 한계를 극복하기 위하여 공진기(cavity) 구조와 나노 구멍 구조가 결합된 금속 나노구조물을 제안함으로써 한 개의 컬러 필터에서 여러 가지 색상을 표현해 낼 수 있음을 최초로 보여주었다.
공진기*라는 진열대에 여러 가지 빛들을 파장과 세기별로 분류하여 펼쳐놓은 다음에 나노 구멍**을 이용해 그 중의 한 개를 골라서 사용하는 것이라고 볼 수 있다.
* 공진기 : 기타나 리코더 연주에서 손가락으로 정해주는 길이에 따라 소리의 파장을 선택하여 울려주듯 그 길이에 따라 특정 파장의 빛을 정상파 형태로 만들거나 가두어 둘 수 있는 공간
** 금속 나노 구멍 : 일반적으로 빛은 그 파장보다 더 작은 나노 크기의 구멍을 통과하지 못하지만 자유전자가 풍부한 금속에서의 나노 구멍인 경우 빛이 자유전자의 규칙적인 진동으로 변환 및 전달되어 마치 깔대기처럼 빛을 모아 금속 나노 구멍을 통과시킬 수 있음
한 개의 픽셀을 한 개의 컬러 필터로 구성함으로써 기존 수십에서 수백 마이크로미터였던 픽셀의 크기를 수 마이크로미터까지 줄여 초고해상도 구현이 가능하게 되었으며, 이로 인해 화질이 기존 방식보다 약 50배 이상 개선될 것으로 보인다.
이번 연구 결과는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하고 있는 기초연구지원사업인 ‘리더연구자지원사업’의 뜻깊은 성과로서 1997년도부터 계속 추진 중인 동 사업은 그간 우리나라 의학과 물리학, 화학 등 기초과학의 텃밭을 비옥하게 하고 원천기술을 개발해 창조경제의 씨앗을 틔우는 밑거름 역할을 해왔다.
금번 성과 외에도 그간 리더연구자지원사업을 통해 미래형 디스플레이 원천기술이 다수 개발된 바 있다.
‘꿈의 신소재’라고 불리는 그래핀의 실용화를 앞당긴 신기술(삼성전자 황성우 박사와 성균관대학교 황동목 교수 공동 연구팀, ‘14.4월)을 개발하여 디스플레이 분야에서의 그래핀 소자 활용 가능성을 넓혔고,
은나노와이어의 강한 결합력을 이용한 신축성 있는 투명전극을 개발(성균관대 화학과 이효영 교수, 김운천 박사, 이한림 박사과정 연구원 연구팀, ‘14.2월)하여 웨어러블 디스플레이와 터치스크린 개발에 중요한 초석을 쌓았다.
또한 안경을 쓰지 않고도 3D 영상을 볼 수 있는 광학필름을 개발(서울대 차국헌 교수와 윤현식 연구교수, 故서갑양 교수 연구팀, ‘11년)하는 성과를 올리기도 했다.
지난해 노벨 물리학상은 청색 발광다이오드(LED)를 개발한 일본 연구자들에게 돌아갔다. 그만큼 디스플레이 관련 연구는 현재 세계가 주목하는 과학 분야이자 창조경제를 열어갈 미래형 고부가가치 기술의 하나라는 점에서 이러한 성과들이 주목받고 있다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
수많은 정보들을 언제 어디서나 자유롭게 다루어야하는 현대사회는 해상도가 높고 처리속도가 빠르며 휴대가 용이한 디스플레이 특성을 요구한다. 최근 나노광학 분야에서는 이러한 특성을 지닌 소자를 연구하고 있으나, 아직까지도 답보상태인 것은 디스플레이의 핵심요소인 컬러 필터가 고정적인 색 표현만 가능하기 때문에 빨강, 초록, 파랑 기본색에 해당하는 세 가지 컬러 필터들이 반드시 필요하다는 데에 기인한다.
이로 인해 디스플레이 픽셀의 최소크기는 컬러 필터 최소크기의 3배가 되어야 하므로 초고해상도 픽셀 개발에 근본적인 제약이 될 수 있다. 특히 헤드마운트 디스플레이나 3차원 디스플레이와 같은 미래형 디스플레이는 초고해상도를 요구하기 때문에 컬러 필터의 소형화 역시 꼭 필요한 작업이다.
2. 연구내용
본 연구는 이러한 색상 고정형 컬러 필터의 한계를 극복하기 위하여 공진기(cavity) 구조와 나노 구멍 구조가 결합된 금속 나노구조물을 제안함으로써 한 개의 컬러 필터에서 여러 가지 색상을 표현해 낼 수 있음을 최초로 보여주었다.
이 금속 나노구조물에서 공진기는 그 내부에 다양한 파장과 세기의 빛을 공간적으로 펼쳐놓는 역할을 하고 금속 나노 구멍은 그 중에서 특정 파장과 세기의 빛만을 선택하여 표면 플라즈몬 형태로 통과시키는 역할을 한다. 쉽게 말해서, 공진기라는 진열대에 여러 가지 빛들을 파장과 세기별로 분류하여 펼쳐놓은 다음에 나노 구멍을 이용해 그 중의 한 개를 골라서 사용하는 것이라고 볼 수 있다.
특히 금속 나노 구멍은 가시광선이 입사할 때 한계파장 이하의 매우 작은 구멍으로도 표면 플라즈몬 형태로 통과시키는 특이 투과특성을 보이므로 공진기 내에서 형성된 정상파들을 흩트리지 않고도 그 빛을 뽑아낼 수 있다.
빛의 파장은 공진기의 길이로, 빛의 세기는 입사광의 편광상태로 선택할 수 있어서 빨강, 초록, 파랑에 해당하는 공진기들을 한 개의 구조물이 되도록 서로 다른 각도로 배치하고 입사광의 편광을 회전시킴으로써 세 가지 기본 색을 적당한 세기로 혼합하여 다양한 색상을 표현할 수 있다.
3. 기대효과
기존의 디스플레이 픽셀이 수십에서 수백 마이크로미터임을 감안한다면 이 금속 나노구조물은 수 마이크로미터 정도까지 소형화가 가능하고 고밀도로 배열시킴으로써 초고해상도 구현이 가능할 것으로 보인다. 이는 주로 웨어러블 형태가 될 미래형 디스플레이가 초소형, 초고해상도, 초고속 특성을 요구하므로 이에 부합하는 한 모델이 될 것으로 기대한다.
본 구조의 파장별, 세기별 빛의 분류 특성은 초소형 분광분석기나 다중 센서, 마이크로 이미지 시스템 등에도 적용 가능할 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
고정적인 색만 표현할 수 있는 기존의 컬러 필터와는 달리 한 개의 구조물을 통해 다양한 색상을 구현할 수 있는 특성이 있고 컬러 픽셀의 크기를 수 마이크로미터까지 소형화시킬 수 있음.
어디에 쓸 수 있나
대표적으로는 고해상도 초소형 컬러 필터 개발에 활용할 수 있으며 이 외에도 어떤 광 신호를 파장별로 분리해야 하거나 특정파장을 가변적으로 선택해서 사용해야 하는 광학소자에 적용 가능함.
실용화까지 필요한 시간은
5∼10년
실용화를 위한 과제는
본 결과로 제시된 컬러 필터의 크기에 해당하는 초소형 편광조절장치를 개발하여 컬러 필터 각각을 독립적으로 제어하는 것이 실용화를 위한 주요 과제임.
연구를 시작한 계기는
플라즈모닉스라는 나노광학 연구 분야와 디스플레이를 잘 접목하여 창의적인 아이디어를 찾고자 노력하는 과정에서 본 연구가 시작됨.
에피소드가 있다면
본 금속 나노구조물은 금속표면을 나노단위로 가공하는 장비를 이용하여 각 구조들의 중심을 잘 맞추어서 미세하게 제작해야 하는데 여러 가지 모양의 후보군들을 모두 만들어서 일일이 테스트하였고 최종 선정된 구조를 격자 배열 형태로 만들기 위해 17도씨 항온실험실에서 수십 일에 걸친 조건최적화 작업과 약 일주일간 본 작업을 수행하였음.
꼭 이루고 싶은 목표는
본 연구의 결과인 색상 가변 컬러 필터를 격자 배열 형태로 제작하고 각각의 입사편광을 독립적으로 제어하여 컬러 동영상을 구현하는 것이 궁극적인 목표임.
신진연구자를 위한 한마디
대체로 어떤 현상이나 문제에 대하여 오랫동안 깊이 생각하는 과정을 통해 좋은 아이디어가 떠오를 수 있고, 그것을 실제로 구현하기 위해서는 어떠한 어려움이 있더라도 끝까지 포기하지 않고 꾸준히 노력하는 것이 중요하다고 생각함.
용 어 설 명
1. 컬러 필터 (Color Filter)
다양한 색상의 빛들로부터 특정 색상만을 추출할 수 있는 광학부품으로서 각종 디스플레이에서 컬러 이미지를 구현하는데 반드시 필요한 주요 구성요소임.
2. 표면 플라즈몬 (Surface Plasmon)
외부 빛의 자극에 의해 특정 조건을 만족할때 금속표면에서 특정 주파수로 진동하는 자유전자들의 집합체로서 이를 일종의 유사 입자 개념으로 보고 있으며 매우 좁은 공간에 고밀도로 집속되거나 금속표면을 따라 매우 빠른 속도로 진행할 수 있는 특성이 있음.
3. 공진기 (Cavity)
일반적으로는 비어있는 공간을 말하나 광학적 측면에서는 공진기 길이에 따라 특정 파장의 빛을 정상파 형태로 만들어 가둘 수 있는 역할을 하는 공간을 의미함.
4. 나노 구멍 (Nano-aperture)
나노 크기 혹은 한계파장 이하의 작은 구멍으로서 그 크기가 너무 작기 때문에 수백 나노미터 파장을 가지는 일반적인 빛은 통과하지 못하지만 그 재질이 금속으로 되어있으면 표면 플라즈몬의 형태로 투과가 가능함.
그 림 설 명
[그림1] 색상 가변 컬러 필터용 금속 나노구조물의 개념도.
금속 나노구조물은 빨강, 초록, 파랑색 파장에 맞는 조건의 세 가지 길이를 갖는 공진기와 중앙의 공통 나노 구멍으로 구성되어 있어서 입사광의 편광에 따라 투과광의 색상을 선택할 수 있다.
[그림2] 색상 가변 컬러 필터용 금속 나노구조물의 전자현미경 이미지.
금속 나노구조물은 빨강, 초록, 파랑색 파장에 맞는 조건의 세 가지 길이를 갖는 공진기와 중앙의 공통 나노 구멍으로 구성되어 있으며 실제로 제작된 금속 나노구조물의 단일체 및 배열체에 대한 전자현미경 이미지를 보여주고 있다.
[그림3] 색상 가변 컬러 필터에 의해 표현되는 다양한 색상 이미지.
실제로 제작된 금속 나노구조물 배열체는 입사광의 편광상태에 따라 빨강색, 주황-노랑색, 초록색, 청록색, 파랑색, 자홍색에 걸치는 다양한 색상을 표현할 수 있다.
