주병권 교수팀, 초고화 질 디스플레이 컬러필터 기술 개발 

                    ▲ 제1저자 이선욱(왼쪽), 교신저자 주병권 교수(오른쪽)

초고화질 선명도를 가지면서도 가격은 더욱 저렴한 차세대 TV 상용화를 앞당길 수 있는 컬러필터 기술이 개발됐다.

공과대학  전기전자공학부 주병권 교수 연구팀이 선명하고 해상도가 높은 색을 나타낼 수 있는 상보형 플라즈몬 컬러 필터를 개발했다. 
* 플라즈몬 컬러필터 : 주기적인 나노 패턴에서 발생하는 빛의 산란과 금속 표면에서 발생하는 플라즈몬 효과를 이용한 컬러필터

현재 디스플레이 산업에서 주로 사용하는 컬러필터는 안료나 염료를 이용한 광흡수 방식이다. 이는 유기재료를 기반으로 하기 때문에 화학적 안정성이 낮고, RGB 필터를 각각 제조해야 하기 때문에 단가가 높다. 반면 무기재료를 사용하는 광간섭 방식의 플라즈몬 컬러필터는 저렴한 비용으로 다양한 색의 필터를 동시에 제조할 수는 있으나, 나노 구조물의 이차원 배열에서 발생하는 색의 간섭 현상 때문에 색 순도가 저하되는 문제점이 있다. 
* 무기재료 : 탄소 수소 결합을 기반으로 하는 유기물이 포함되지 않은 재료 
* 색의 간섭 현상(color cross-talk) : 각기 다른 파장을 갖는 가시광이 중첩되어 혼합색으로 보이는 현상 

연구팀은 음각 패턴에 양각 패턴을 조합하는 상보형 설계방법으로 기존의 정형화된 패턴 모양을 탈피하는 역발상을 적용했다. 양각 패턴은 기존의 음각 패턴을 반전시킨 형상으로 투과형 컬러필터에 응용하기 어렵다는 것이 학계의 일반적인 시각이었다. 그러나 연구팀은 특정 조건에서 양각패턴이 단파장의 누설을 효과적으로 차단함으로써 순도 높은 적색 추출이 가능함을 확인했다. 그 결과, 상보형으로 설계된 플라즈몬 컬러필터에서 색을 구현하는 영역이 이전보다 30% 이상 넓어지는 결과를 확인할 수 있었다.

또한 상보형 플라즈몬 컬러필터는 나노 패턴의 기하학적 변수만 조절하면 적색, 녹색, 청색 등 다양한 색상 구현이 가능하다. 기존의 재료와 제조 방법을 그대로 사용할 수 있기 때문에 추가적인 비용 발생 없이 성능을 향상시킬 수 있다.

주병권 교수는 “이 연구는 상보형 설계 방법을 통해 높은 색재현성의 플라즈몬 컬러필터를 개발한 것이다. 이 연구가 나노광학소자를 결합시킨 차세대 디스플레이의 개발을 앞당기는 계기가 될 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구성과는 미래창조과학부 한국연구재단의 기초연구지원사업(개인연구), 교육부·한국연구재단의 BK21지원사업 등의 지원을 받아 수행되었으며 국제적인 학술지 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 1월 13일자에 게재됐다.

   - 논문명 : Wide-gamut plasmonic color filters using a complementary design method
   - 저자 정보 : 주병권(교신저자, 고려대학교 전기전자공학부), 이선욱(제1저자, 삼성디스플레이)

[ 용 어 설 명 ]

1. 플라즈모닉 컬러필터 (Plasmonic Color Filter)
  ○ 플라즈모닉 컬러필터는 플라즈모닉 현상을 이용한 광간섭 방식의 컬러 필터이다. 빛의 파장과 유사한 크기를 갖는 주기적인 나노 패턴에서는 빛의 산란 현상이 일어난다. 이러한 산란 현상을 이용하여 가시광을 선택적으로 투과시킴으로써 컬러 필터로 동작한다. 높은 해상력, 얇은 두께, 단순한 제조 공정과 저렴한 비용 등의 장점을 갖추고 있다.

2. 컬러필터 (Color Filter)
  ○ 입사광에서 특정 파장의 빛만을 선택적으로 투과시켜 색상을 구현하는 소자이다. 특히 적색, 녹색, 청색의 세 가지 빛을 이용한 가법혼색으로 모든 컬러를 구현 할 수 있기 때문에 컬러필터는 LCD, OLED, CMOS와 같은 디스플레이 패널 및 이미지 센서의 핵심 부품이다. 안료 또는 염료를 유기레지스트에 혼합시킨 재료를 사용하는 컬러필터가 산업에서 주로 사용되고 있다.

3. 표면 플라즈몬 공명 (Surface Plasmon Resonance)
  ○ 평평한 표면에 입사한 빛에 의해 들뜬 상태가 된 표면 플라스몬의 상태를 가리킨다. 나노미터 크기의 금속 구조에서 발생한 표면 플라스몬을 국소 표면 플라스몬 공명(Localized surface plasmon resonance, LSPR)이라고도 한다. 이 현상은 금속 표면(특히 금이나 은) 위, 또는 금속 나노입자 위 시료의 흡착 정도를 측정하는 표준 계측 원리로 이용되고 있다. 색상의 변화로 시료의 양을 검출하는 바이오센서 등에도 널리 사용되는 원리이다. 표면 플라스몬 공명을 이용하여 최근 표면에서의 들뜬상태 및 공명을 이용하여 태양전지 등의 효율을 높이려는 시도 또한 진행되고 있다.

출처 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)