국내 연구진이 디스플레이 산업에서 안료나 염료를 사용하는 광흡수방식 컬러필터를 대체할 것으로 주목받는 플라즈몬 컬러필터의 성능을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다.

고려대 전기전자공학과 주병권 교수팀은 2일 선명하고 해상도 높은 색을 구현할 수 있는 상보형 플라즈몬 컬러필터를 개발, 색재현 효율을 기존 플라즈몬 컬러필터보다 30% 이상 높였다고 밝혔다.

현재 디스플레이 산업에서 주로 사용되는 컬러필터는 안료나 염료를 이용한 광흡수 방식으로 유기재료를 사용해 화학적 안정성이 낮고 RGB(적녹청) 필터를 각각 제조해야 하므로 단가가 높다.

이에 비해 무기재료를 사용하는 광간섭 방식의 플라즈몬 컬러필터는 저렴한 비용으로 다양한 색의 필터를 동시에 제조할 수 있으나 나노 구조물의 이차원 배열에서 발생하는 색 간섭 현상 때문에 색 순도가 떨어지는 문제가 있다.

(a)는 플라즈몬 컬러필터들의 광학현미경 사진과 전자현미경 사진, (B)는 측정된 색좌표 값과 색재현 영역. 청색 음각(hole) 패턴 구조, 녹색 음각 패턴 구조, 적색 음각 패턴 구조, 적색 양각 패턴 구조 각각 주기는 230, 300, 360, 340나노미터. (c)는 측정된 투과 스펙트럼.

플라즈몬 컬러필터는 주기적인 나노패턴에서 발생하는 빛의 산란과 금속 표면에서 발생하는 플라즈몬 효과를 이용한 컬러필터다.

연구진은 적색, 녹색, 청색에 모두 음각 패턴을 사용하는 기존 플라즈몬 컬러필터와 달리 녹색과 청색은 음각형 필터로, 적색은 양각형 필터를 사용하는 상보형 설계방법으로 순도 높은 색을 구현하는 데 성공했다.

양각 패턴은 기존 음각 패턴을 반전시킨 형상으로 투과형 컬러필터에 응용하기 어렵다는 학계의 일반적인 시각을 뒤집는 역발상을 적용한 것이다.

연구진은 특정 조건에서 양각패턴이 단파장 누설을 효과적으로 차단, 순도 높은 적색 추출이 가능함을 확인했으며 그 결과 상보형 플라즈몬 컬러필터의 색재현 효율은 30% 이상 향상됐다.

또 상보형 플라즈몬 컬러필터는 나노패턴의 크기와 간격 등 기하학적 변수만 조절하면 적색, 녹색, 청색 등 다양한 색상을 구현할 수 있고 기존 재료와 제조 방법을 그대로 사용할 수 있어 추가 비용 없이 성능을 향상할 수 있다고 연구진은 설명했다.

주 교수는 "상보형 설계방법을 통해 높은 색재현성의 플라즈몬 컬러필터를 개발했다"며 "이 연구가 나노광학소자를 결합한 차세대 디스플레이의 개발을 앞당기는 계기가 될 것으로 기대된다"고 말했다.

한국연구재단의 기초연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이 연구결과는 국제학술지 ''사이언티픽 리포트'(Scientific Reports, 1월 13일자)에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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