▲ 주병권 교수(좌)  박정호 박사과정생(우)

전기전자전파공학부 주병권 교수와 KAIST 최경철 전기 및 전자공학과 교수 연구진이 LCD·OLED 등 디스플레이와 디지털 카메라 CMOS 이미지 센서 등에서 색상을 표현하는 핵심부품인 플라즈몬 상용화 기술을 개발했다.

이 기술은 나노 표면에서 발생하는 플라즈몬 효과를 이용하여 디스플레이 컬러필터를 상용화 할 수 있는 설계 및 공정기술을 포함한다.

컬러필터는 LCD와 OLED 등의 디스플레이나 디지털카메라에 사용되는 CMOS 이미지 센서 등에서 색상을 표현하는 핵심부품으로, 현재 상용화된 컬러필터의 투과율은 20∼30% 정도인데, 표면 플라즈몬 현상을 이용하면 투과율을 40% 이상 끌어올려 전력효율을 2배 향상시킬 수 있다.

표면 플라즈몬 현상은 필터에 빛과 전자가 결합해 금속 표면을 따라 집단적으로 파동이 진동하는 것을 말한다.

기존 플라즈몬 필터 기술은 마이크로미터(㎛) 크기의 극소 면적에만 구현할 수 있었던 한계가 있었다. 그러나 이번 연구에서는 레이저 간섭 리소그래피 기술을 이용해 2.5㎝ 크기까지 구현했다. 기존에 상용화 중인 레이저 기술을 적용해 곧바로 디스플레이를 양산할 수 있는 단계라는 평가다.

이 기술을 이용해 투과율을 40% 이상 끌어올려 저전력 플라즈몬 디스플레이를 양산하는게 연구팀의 목표다. 레이저 광의 간섭현상을 통해 나노 구조를 형성하는 레이저 간섭 리소그래피 기술을 적용해 기존 컬러필터 양산기술의 단점인 복잡한 공정도 개선했다.

연구팀은 이 기술을 이용해 투과율을 40% 이상 끌어올려 저전력 플라즈몬 디스플레이를 양산할 계획이다. 박정호 고려대 전기전자전파공학부 박사과정 학생은 “이번 연구는 TV화면 등 대면적에 적용이 가능하다”며 “기판 종류에 상관없이 차세대 나노 공정 기술에 폭넓게 활용될 것”으로 기대했다.

이번 연구 성과는 나노기술 분야 학술지 `어드밴스트 옵티컬 머티리얼스` 2013년 2월호 표지논문으로 게재됐고, 6건의 관련 특허를 출원했다.

< 용 어 해 설 >

* 플라즈몬(plasmon) : 나노 크기로 형성된 금속 나노 구조체에 특정 광원이 입사되었을 때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 공진적으로 진동하는 유사입자를 지칭한다. 금속과 유전체의 경계면에서 발생하여 수십~수백 나노미터 반경 내에서의 빛의 움직임에 영향을 미친다. 공진이 일어나는 파장대역은 나노 구조체의 형태와 이루는 물질의 굴절률 등에 의해 조정이 가능하다. 금속 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬이라고 부르기도 한다.

* 컬러필터 : 배면광원에서 나오는 백색광에서 적색, 녹색, 청색 등 특정 색상을 추출하는 박막 필름 형태의 광학부품. LCD, OLED, CMOS image sensor 등에 활용되고 있음.

* CMOS 이미지 센서 : 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 구조를 가진 저소비 전력형의 촬상 소자. 휴대 전화 및 물론 고해상도 디지털 카메라, 자동차 후방 감시 카메라 등에도 광범위하게 사용되고 있다.

* 표면 플라즈몬 : 나노 크기로 형성된 금속 나노 구조체에 특정 광원이 입사되었을 때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 공진적으로 진동(공명)하는 유사입자를 지칭한다. 이 현상은 금속과 유전체의 경계면에서 발생하여 수십~수백 나노미터 반경 내에서의 빛의 움직임에 영향을 미치는데, 공진이 일어나는 파장대역은 나노 구조체의 형태와 이루는 물질의 굴절률 등에 의해 조정이 가능하다.

* 레이저 간섭 리소그래피 (Laser Interference Lithography) : 레이저 광의 간섭현상을 이용하여 나노구조를 형성하는 기술. 두 개 이상의 레이저가 만나 주기적인 간섭무늬가 형성되고 이를 광감물질인 포토레지스트 층에 노광 및 에칭을 통하여 패턴을 형성하는 방법.

그림 3. `플라즈모닉 컬러필터‘ 의 구조 및 나노 구조 형성을 위한 핵심 공정법(레이저 간섭 리소그래피)의 모식도