▲주병권 교수

▲이선욱 책임연구원

한국연구재단(이사장 조무제)은 주병권 교수(고려대) 연구팀이 선명하고 해상도가 높은 색을 나타낼 수 있는 상보형 플라즈몬 컬러 필터를 개발했다고 2일 밝혔다. 

플라즈몬 컬러필터는 주기적인 나노 패턴에서 발생하는 빛의 산란과 금속 표면에서 발생하는 플라즈몬 효과를 이용한 컬러필터를 말한다.

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(color cross-talk 각기 다른 파장을 갖는 가시광이 중첩되어 혼합색으로 보이는 현상) 때문에 색 순도가 저하되는 문제점이 있다. 
    

▲Hole(음각) 패턴과 dot(양각) 패턴 구조의 개구 비율에 따른 투과 스펙트럼

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.

또 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.

▲제작된 Hole(음각) 패턴과 dot(양각) 패턴 구조의 플라즈모닉 컬러필터

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”라고 연구 의의를 설명했다.

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