한국전기연구원(KERI)은 표재연 박사팀이 세계 최초로 3D프린팅 된 나노 구조의 발광 패턴을 규명했다고 22일 밝혔다.
디스플레이 장치에서 해상도가 높아지려면 한 화면 안에 담는 화소 수가 많아야 한다. 관련 업계는 화소 밀도를 높이기 위해 발광 소자를 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)를 넘어 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 수준까지 더 작게 만들기 위한 연구에 매진하고 있다.
문제는 발광 소자 크기가 수백 나노미터 수준까지 작아지면 빛과 물질 상호작용에 특이한 변화가 발생해 기존의 전형적이고 일관된 발광 패턴과는 큰 차이를 보이게 된다. 이런 특이한 발광 패턴을 이해하는 것은 나노 발광 소자의 실제 활용을 위해 선행돼야 하는 필수 요소다.
나노 포토닉 3D프린팅 기술로 수년간 디스플레이 분야를 연구해 온 연구팀은 그동안 축적해온 연구 역량을 바탕으로 나노 구조에서 관찰되는 고지향성(Highly directional) 발광 패턴을 규명하는데 성공했다.
일반적으로 기존 화학적·물리적 증착법으로는 발광 소재를 원하는 위치에 원하는 크기로 균일하게 제작하기 어렵다. 연구팀은 인쇄 노즐 구경으로 구조물 직경을 한정해 발광 소재를 원하는 위치에 넓은 범위에 걸쳐 최소 직경 1000만분의 1m까지 원하는 크기로 제작할 수 있는 3D프린팅 기술을 보유했다.
이를 통해 발광 양상을 실험적으로 측정하고 전자기파 시뮬레이션을 수행한 결과 발광 소자가 직경 300㎚ 수준으로 작아지면 공간 제한으로 인해 빛 내부 반사가 없어져 일직선의 한 방향으로만 전파되고 그로 인해 빛이 방출될 때 높은 지향성의 발광 패턴을 보임을 규명했다.
기본적으로 빛은 구조물 내부에서 다양한 경로를 통해 전파되고 이들의 중첩으로 인해 넓은 발광 패턴을 보이지만 나노선 구조에서는 단일 경로만 존재해 고지향성 발광 패턴을 보인다는 게 연구팀 설명이다.
이러한 특성은 디스플레이, 광 저장매체, 암호화 장비 등의 성능을 크게 높이는 데 활용될 것으로 기대된다. 기존 넓은 발광 패턴을 갖는 구조물은 가까이 모이면 서로 중첩되거나 뭉개지는 광신호 간섭이 발생하지만 고지향성 발광 패턴을 갖는 나노선은 높은 밀도로 모여도 화소 간 구분이 명확히 가능하고 정보 해석에 왜곡이 없어지기 때문이다.
이번 연구 결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회가 발행하는 나노과학 분야 최상위급 SCI 학술지 'ACS Nano'에 표지논문으로 최근 게재됐다.
표재연 박사는 “나노 영역에서의 광물리 연구는 실험이나 분석에 쓰기 위한 표본 제작이 어렵고 비용과 시간이 많이 드는데 우리는 간단하고 유연한 3D프린팅이라는 플랫폼으로 나노 구조의 발광 양상을 최초로 규명했다”면서 “본 연구 결과는 국가전략기술인 첨단 디스플레이나, 양자 분야 기술 경쟁력 향상에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
창원=노동균기자 defrost@etnews.com
