POSTECH 노준석 교수팀, 구조색 가변형 컬러필터 개발

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김인기씨 연구팀은 전자전기공학과 정윤영 교수, 석사과정 윤주영씨 연구팀과 함께 산화물 반도체에 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 물질로서 이를 나노광학 분야에 접목시킨 첫 연구이다. 

IGZO는 수소 플라즈마 처리 공정을 거쳐 층 안에 전자 농도를 임의로 조절할 수 있고 이를 통해 가시광선 전 영역에서 굴절률을 조절할 수 있다. 

가시광선 영역에서 흡광 계수(extinction coefficient)는 거의 0에 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 기반의 컬러필터 기술은 4층의 멀티레이어(Ag-IGZO-SiO2-Ag)로 구성돼 있으며 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진 특성을 이용해 선명한 색을 투과시킬 수 있다. 

IGZO 층의 전하 농도가 증가할수록 굴절률이 감소하고 이는 선택적으로 투과되는 빛의 공명 특성을 변화시킬 수 있는 것을 실험적으로 확인했다.  

이러한 설계 방식은 대면적 디스플레이용 컬러필터에 접목될 수 있을 뿐만 아니라, 마이크로(10의-6승, 100만분의 1) 또는 나노(10의-9승, 10억 분의 1) 사이즈의 컬러프린팅 기술에도 접목될 수 있다. 

연구팀은 이를 검증하기 위해 마이크로미터(μm, 1m의 100만분의 1) 사이즈의 픽셀 크기를 갖는 컬러프린팅 기술을 구현했다. 

그 결과, IGZO 층의 전하 농도에 따라 센티미터 또는 마이크로미터 크기의 컬러픽셀에서 나오는 색을 임의로 조절할 수 있음을 확인했다. 

기존의 다른 전고체 (all solid-state) 가변형 재료들(예를 들어, WO3 또는 GdOx)에 비해 전자 농도를 통해 굴절률을 변화시키기 때문에 더욱 안정적으로 그리고 빠르게 구조색을 변화시킬 수 있다는 것을 확인했다. 

노준석 교수는 “이 연구는 플렉서블 디스플레이나 뉴로모픽 전자 소자 등에 활용되고 있는 차세대 산화물 반도체인 IGZO를 나노광학 구조색 디스플레이 기술에 적용한 첫 사례”라고 전했다.

이어 “전하농도를 조절함에 따라 투과되는 빛을 임의로 걸러낼 수 있는 이 기술은 차세대 저전력 반사형 디스플레이, 위변조 방지 디스플레이 기술 등에 접목될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 

한편 이 연구결과는 국제 권위지 ‘포토닉스 리서치(Photonics Research)’ 1일자에 발표됐으며 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행됐다.