포스텍(총장 김무환)은 노준석 기계공학과·화학공학과 교수와 김인기 기계공학과 통합과정생 연구팀이 인간 뇌 구조를 모방해 만든 반도체 칩을 활용해 염료를 사용하지않고 팔색조 컬러를 구현하는데 성공했다고 1일 밝혔다. 정윤영 전자전기공학과 교수와 윤주영 석사과정 연구팀이 함께 참여한 이번 연구결과는 국제 권위지 '포토닉스 리서치' 1일자에 발표됐다.
연구팀은 산화물 반도체 일종인 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 이용해 구조색을 임의로 변경할 수 있는 기술을 개발했다. 특히 IGZO는 플렉서블 디스플레이뿐만 아니라 뉴로모픽 전자소자에도 활발히 이용되고 있는 물질이다. 연구팀은 이를 나노광학 분야에 처음으로 접목했다.
IGZO는 수소 플라즈마 처리 공정을 거쳐 층 안에 전자 농도를 임의로 조절할 수 있고, 이를 통해 가시광선 전 영역에서 굴절률을 조절할 수 있다. 또 가시광선 영역에서 흡광 계수는 거의 제로(0)에 근접하기 때문에 빛 손실이 극히 적어 매우 선명한 색을 투과시킬 수 있는 투과 형태의 가변형 컬러필터를 구현할 수 있음을 나노광학 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증했다.
연구팀이 개발한 IGZO 기반 컬러필터 기술은 4층의 멀티레이어로 구성되어 있고, 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진 특성을 이용해 선명한 색을 투과시킬 수 있다.
이러한 설계 방식은 대면적 디스플레이용 컬러필터에 접목될 수 있을 뿐만 아니라 마이크로(100만분의 1)나 나노(10억 분의 1) 사이즈 컬러프린팅 기술에도 접목할 수 있다. 연구팀은 이를 검증하기 위해 마이크로미터(μm) 사이즈 픽셀 크기를 갖는 컬러프린팅 기술을 구현했다.
그 결과 IGZO 층의 전하 농도에 따라 센티미터 또는 마이크로미터 크기 컬러픽셀에서 나오는 색을 임의로 조절할 수 있음을 확인했다. 그리고 기존 다른 전고체 가변형 재료들에 비해 전자 농도를 통해 굴절률을 변화시키기 때문에 더욱 안정적이고 빠르게 구조색을 변화시킬 수 있다는 것을 확인했다.
노준석 교수는 “플렉서블 디스플레이나 뉴로모픽 전자 소자 등에 활용되고 있는 차세대 산화물 반도체인 IGZO를 나노광학 구조색 디스플레이 기술에 적용한 첫 사례”라며 “차세대 저전력 반사형 디스플레이, 위변조 방지 디스플레이 기술 등에 접목할 수 있을 것”이라고 말했다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
