신기술2 // 전기연, 나노선 구조에서의 광물리 현상 밝혀냈다

편집부 기자
입력 2024.09.23 00:00

전기연, 나노선 구조에서의 광물리 현상 밝혀냈다

3D프린팅된 나노 구조의 발광 패턴 세계최초 규명

국내 연구진이 3D프린팅 기법을 이용하여 압도적인 해상도를 자랑하는 ‘나노 디스플레이’를 제작할 수 있는 기술을 개발했다. 한국전기연구원(KERI) 소속 나노융합연구센터 표재연 박사팀이 3D프린터를 이용해 나노미터급 화소를 갖는 초고해상도 디스플레이를 제조할 수 있는 ‘나노 포토닉 3D프린팅 기술’을 세계최초로 개발한 것이다. 이 연구 결과는 우수성을 인정받아 최근 미국화학회가 발행하는 재료과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 『ACS Nano』에 표지논문으로 게재됐다.

정리 편집부

제공 KERI 나노융합연구센터

디스플레이 장치에서 해상도가 높다는 것은 ‘한 화면 안에 화소의 수가 많다’는 것을 의미한다. 화소의 밀도가 높아지면 그만큼 영상이나 사진이 더 정밀하고 섬세하게 표현된다. 따라서 화소의 밀도를 높이기 위해 발광 소자를 마이크로미터(1백만분의1m)를 넘어 나노미터(10억분의1m) 수준까지 더 작게 제작하기 위한 연구가 계속되고 있다.

발광 소자의 크기가 수백 나노미터 수준까지 작아지면, 빛과 물질의 상호작용에 특이한 변화가 발생하여 기존의 전형적이고 일관된 발광 패턴과는 큰 차이를 보이게 된다. 이런 특이한 발광 패턴을 이해하는 것은 나노 발광 소자의 실제 활용을 위해 선행되어야 하는 필수 요소다. 나노 포토닉 프린팅 기술로 수년간 디스플레이 분야를 연구해온 KERI 연구팀은 그동안 축적해온 연구 역량을 바탕으로 나노 구조에서 관찰되는 고지향성(Highly directional) 발광 패턴을 규명하는데 성공했다.

기존 대비 2배 이상 밝기를 풀 컬러로 구현

‘나노 포토닉 3D프린팅 기술’은 디스플레이 패널의 ‘퀀텀닷(Quantum dot, 양자점)’ 화소를 3차원 구조로 인쇄할 수 있도록 만든 기술이다. ‘퀀텀닷’은 빛이나 전기 자극을 받으면 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 나노입자로, 색 순도와 안정성이 높아 TV, 스마트폰, 태블릿 등 다양한 전자제품의 디스플레이용 발광재료로 활발하게 사용되고 있다.

많은 업체가 화소의 개수를 늘리기 위해 화소의 크기를 줄여 해상도를 높이려고 하지만, 줄어진 크기만큼 발생하는 빛의 밝기가 제한되는 문제가 있었다. 또 기존의 화학적·물리적 증착법으로는 발광 소재를 원하는 위치에 원하는 크기로 균일하게 제작하기가 어렵다.

나노융합연구센터 표재연 박사팀은 ‘화소를 얇은 막이 아닌 3차원 구조로 제작하면 높은 해상도에도 필요한 밝기의 빛을 확보할 수 있겠다’는 점에 착안해 독자적인 3D프린팅 기술을 활용해 폭 620나노미터, 높이 1만나노미터 수준의 화소를 제작했다. 그 결과 2차원이 아닌 3차원 구조의 화소 제작을 통해 기존 얇은 막 대비 2배 이상의 밝기를 적색, 녹색, 청색의 풀컬러(Full-color)로 구현하는 등 빛의 밝기 제한 문제를 해결했다.

화소 간 구분 뚜렷, 정보 왜곡 없는 고지향성 발광 패턴

연구팀은 3D프린팅 기술로 나노미터에서 마이크로미터 수준까지 정교하게 구현한 시편을 통해 발광 양상을 실험적으로 측정하고, 심층 분석과 교차 검증을 위해 전자기파 시뮬레이션도 함께 수행했다. 그 결과, 발광 소자의 크기가 직경 300나노미터 수준으로 아주 미세하게 작아지면 공간 제한으로 인해 빛의 내부 반사가 없어져 일직선의 한 방향으로만 전파되고, 그로 인해 빛이 방출될 때 높은 지향성(방향성)의 발광 패턴을 보인다는 것을 규명했다.

기본적으로 빛은 구조물 내부에서 다양한 경로를 통해 전파되고, 이들의 중첩으로 인해 넓은 발광 패턴을 보이지만, 나노선 구조에서는 일직선인 단일 경로만 존재하여 고지향성 발광 패턴을 보이는 것이다. 이러한 특성은 디스플레이, 광 저장매체, 암호화장비 등의 성능을 크게 높이는데 활용될 수 있다.

기존 넓은 발광 패턴을 갖는 구조물들은 가까이 모이면 서로 중첩되거나 뭉개지는 ‘광신호 간섭(Optical Crosstalk)’이 발생한다. 반면, 고지향성 발광 패턴을 갖는 나노선은 높은 밀도로 모여도 화소 간 구분이 명확하고, 정보 해석에 왜곡이 없어지기 때문에 고성능 장치 구현에 활용될 수 있음을 KERI 연구진이 실험적으로 제안했다.

해당 연구 결과는 우수성을 인정받아 미국화학회(American Chemical Society)가 발행하는 나노과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 『ACS Nano』에 표지논문으로 최근 게제됐다. 학술지의 영향력을 평가하는 ‘JCR Impact Factor’는 1만 4588로, 전체 SCI 학술지 중 상위 1.625%에 해당한다.

미래 첨단 디스플레이로 활용 가능성 多

해상도의 지표인 ‘PPI(Pixels Per Inch, 1인치당 화소의 개수)’로 비교하면 KERI의 기술은 5600PPI 수준의 3원색 컬러 화소를 시현해 기존 8K QLED TV(100PPI), 노트북(200PPI), 스마트폰(800PPI)의 수준을 압도적으로 뛰어넘었다. 이에 더해 현재 상용기술의 한계 수준인 1000PPI 보다도 5배 이상 높은 해상도를 보여주었다. 초고해상도가 있어야 하는 가상현실 관련 기술(VR, AR), 빔프로젝터 등 미래 첨단 디스플레이 분야까지 폭넓게 활용이 가능한 수준이다.

이 밖에도 연구팀이 개발한 3D프린팅 기술을 응용하면 ▲초고밀도 데이터 저장매체 ▲3차원 구조 초고해상도 암호 패턴을 이용한 위조방지 기술 ▲카메라 센서 ▲생명공학 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 또한 유연 기판재료인 폴리이미드 PET 필름에도 직접 인쇄가 가능해 웨어러블과 롤러블 장치에도 적용할 수 있다.

연구팀은 이번 연구가 초소형 발광 소자가 활용될 수 있는 가상현실(AR, VR), 빔프로젝터, 광 저장매체, 광 집적회로, 암호화 기술, 보안 인쇄 등의 분야에서 주목받을 것으로 보고, 성과의 응용·확산에 나선다는 계획이다. 또한 원하는 구조물을 자유롭게 만들어낼 수 있는 3D프린팅 기술을 활용해 나노미터 영역에서 발생하는 다양한 광물리 현상을 계속해서 규명한다는 목표다.

연구자와의 인터뷰

Q. 연구한 기술은 어떤 기술인가?

A. 본 연구원에서는 전자회로, 전기도금 등 최근 5년간 전기·전자기술 다방면에서 한국의 첨단 3D프린팅 기술을 주도해왔다. 이번 기술은 전기 통전을 넘어서 새로운 응용 분야인 디스플레이를 대상으로 했다. 3D프린팅 기술을 기반으로 나노미터급 초정밀 화소를 제작하는 기술을 세계최초로 개발해 디스플레이 응용에 3D프린팅 기술을 적용한 시초가 될 만한 기술이다.

Q. 연구 계기는 무엇인가?

A. 3D프린팅을 이용한 광소자 연구는 박사학위 과정부터 꾸준히 연구해오던 분야고, 2017년 KERI에 자리 잡으면서 본격적으로 디스플레이 분야로 응용 연구를 시작했다. 첨단 전기·전자기기인 디스플레이가 미래의 먹거리가 될 수 있다고 생각했다.

Q. 이번 성과와 기존 기술의 차이점은?

A. 기존의 디스플레이 제조공법에서는 해상도를 높이기 위해 화소의 면적을 줄이게 되면, 발생하는 빛의 밝기가 제한되는 문제가 있었다. 우리는 ‘화소를 얇은 막이 아닌 3차원 기둥 구조로 제작하면, 높은 해상도에서도 필요한 광량을 확보할 수 있다’는 점에 착안했다. 독자적인 3D프린팅 기술을 기반으로 폭 620나노미터 수준의 화소를 1만나노미터 높이로 제작해 빛의 밝기가 얇은 막 대비 2배 이상 향상됨을 보일 수 있었다.

Q. 해당 기술이 우리 삶의 어떤 부분을 변화시킬 수 있나?

A. 이번에 개발된 기술의 화소밀도(5600PPI)는 현재까지 출시된 최고사양의 스마트폰 디스플레이보다 7배가량 높다. 논문을 통해 시현된 해상도가 그 정도지만, 화소 간 인쇄 간격을 더욱 줄이면 1만2000PPI까지 달성 가능하다고 본다. 아주 높은 해상도는 VR, AR 등 첨단기기에서의 멀미 현상을 줄여줄 수 있고, 초고해상도 빔프로젝터로 출시될 수 있다. 또 복사 불가능한 3차원 구조의 초고해상도 암호패턴도 될 수 있다.

Q. 향후 계획은?

A. 이번 연구결과를 바탕으로 디스플레이 관련 업체에 기술이전을 희망하고 있다. 관심 있는 수요 업체를 발굴해 3D프린팅을 활용한 디스플레이 기술의 사업화를 추진할 계획이다.