다양한 색상 표현 가능한 신개념 컬러필터 개발

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 “국내 연구진 주도로 입사되는 편광에 따라 다양한 색상을 연속적으로 표현할 수 있는 신개념 컬러필터를 개발했다”고 밝혔다.

이상신 교수(광운대)가 이끄는 연구팀은 김은수 교수(광운대), 최덕용 박사(호주국립대)와의 공동연구를 통해 알루미늄 나노선 어레이 기반의 고효율 동적 컬러필터를 개발했으며, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 기초연구사업(중견연구자지원 및 선도연구센터지원)의 지원으로 수행됐다. 연구 결과물은 네이처 출판그룹에서 발간하는 국제 학술지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)지 온라인 판에 게재됐다.

기존의 금속을 이용한 플라즈모닉 공진 기반 컬러필터는 주로 TM(수평) 편광의 광 특성에 대한 연구만이 활발히 진행됐다. TE(수직) 편광에 대해서는 플라즈모닉를 이용해 원하는 광 효율을 얻기가 어려웠다. 본 연구진은 플라즈모닉 공진 현상과 나노선 구조 상에 유전체 물질 도입을 통해, TM 및 TE의 두 직교 편광에 대해 우수한 광 특성을 얻을 수 있는 동적 컬러필터 기술을 개발했다.

가시광 대역에서 특정 파장의 투과 스펙트럼의 감소 현상은 다양한 감범혼색의 컬러필터를 만드는 것이 용이해 TM 및 TE 두 편광에 대해 서로 다른 특수 파장에서 감소되는 스펙트럼이 있다면 편광에 따라 조절이 가능한 컬러필터를 구현할 수 있다.

TM 편광에 의한 색상은 해당 파장 대역에서의 알루미늄-이산화규소 (Al-SiO2) 경계면에서 발생하는 표면 플라즈몬(전자구름의 진동) 현상을 통해 얻어지며, 일종의 광 도파로(금속 표면을 지나가는 빛을 전파시키는 길)로 동작하도록 공기-이산화규소-알루미늄 층을 구성해 도파로 공진 형상을 만들어줌으로써 TM 편광에 의한 색상과는 서로 다른 파장 대역에서 투과 및 반사 색상을 얻을 수 있도록 했다.

기존의 금속 기반의 나노 격자 구조는 금, 은 등 고가의 금속을 이용해 구현이 됐으나, 저가의 알루미늄을 이용함으로써, 컬러필터 제작의 저가화 및 대량생산화의 이점을 갖는다.

연구진은 나노선 어레이 구조를 이용해 편광 방향에 따라 구현되는 색상을 변화시킬 수 있는 동적 컬러필터를 개발·구현함으로써, 다양한 기능을 갖는 컬러필터 연구·개발에 새로운 길을 열었다.

알루미늄을 적용한 컬러필터 기술을 개발함으로써 저가화 및 대량생산화를 가능하게 할 것으로 기대된다. 기존의 금, 은 등의 금속을 이용한 플라즈모닉 공진 기반의 컬러필터 보다 단순한 공정을 이용해 제작이 가능하다.

나노선 어레이의 주기와 입사 편광의 방향을 적절히 조절함으로써 다양한 색상을 구현할 수 있기 때문에, 기존 방식의 컬러필터가 갖고 있는 소형화 및 고집적화의 제약을 해결할 수 있다.

컬러 디스플레이, 이미지 장치, 컬러 프린팅 등 다양한 곳에 용이하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.