수십 나노 미터의 반도체 물질로 접히는 색상 필터 제작 성공

GIST(지스트, 총장 직무대행 허호길) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수와 나노종합기술원(원장 이재영) 강일석 박사 공동연구팀이 실리콘(Si) 물질 기반의 나노 포토닉 구조를 이용하여 접히는 형태의 다양한 색상 표현이 가능한 컬러 필터 구조의 원리를 규명하고, 최적 필터 구조를 설계 및 제작하는데 성공했다. 또한 연구팀은 제작된 구조를 이용하여 위조방지 홀로그램 스티커로 사용하는 새로운 방법을 제시하였다.

나노 포토닉 구조는 나노 미터 스케일로 형성된 표면 또는 입자에 의한 광학적으로 특별한 현상이다.

일반적인 색상 필터는 염료나 안료 등을 기반으로 만들어지며, 다양한 색상 구현을 위해 여러 화학 물질을 섞어 만들다보니 재활용이 어렵고, 친환경적이지 못한 문제가 있다. 또한, 태양광 스펙트럼에 포함된 자외선(UV) 빛을 받게되면, 광퇴색 현상이 발생하는 단점이 있다.

최근에 이를 개선하기 위해 염료나 안료를 사용하지 않는 구조색을 이용하여 색상 필터를 만드는 연구가 활발하며, 디스플레이나 건물 외벽, 반도체 소자 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 하지만 기존 구조색의 단점은 딱딱한 절연체 또는 반도체 물질을 기반으로 하며, 제한된 색상 표현은 기존의 색상 염료를 완전히 대체하는 데 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 수십 나노미터 수준으로 제작된 2개의 적층된 나노 포토닉 구조를 이용해 빛의 반사 스펙트럼을 가시광 대역에서 자유자재로 조절하여 최종적으로 색상의 미세 조절 및 고순도의 색상 표현이 가능한 포토닉 구조의 원리를 규명하였다. 또한, 나노 구조의 우수한 기계적 특성에 기반하여 접히는 색상 필터를 제작하였다.

연구팀은 또한 각각의 공진 구조를 적층할 경우, 공진 구조 간의 간섭없이 선형 결합이 됨을 이론적‧실험적으로 시연하였다. 이러한 원리에 기반하여, 최적 구조를 설계하고 실제 제작을 통해 색상 필터를 구현하였다.

본 연구를 통해 제시된 나노 포토닉 구조를 차용할 경우, 기존 구조색 색상 필터의 단점인 좁은 색 표현 능력을 개선할 수 있으며, 색 좌표계 상에서 미세하게 색상을 조절할 수 있다. 또한, 실리콘 나노선 배열은 붙였다 떼어낼 수 있는 형태이기 때문에 재사용이 가능하다.

송영민 교수와 강일석 박사는 “기존 구조색의 단점을 해결함과 동시에 성숙한 반도체 소자 및 기술을 손쉽게 응용할 수 있으며, 초박막 광학 필터, 태양전지, 플렉시블 디스플레이 등 반도체 물질을 사용하는 다양한 분야에 응용 가능할 것으로 기대된다”고 말하면서, “특히, 본 연구의 말미에 제작한 접히는 위조방지 홀로그램 스티커로의 응용도 가능하다”고 밝혔다.

GIST 송영민 교수와 나노종합기술원의 강일석 박사가 주도하고 송한성(공동 제1저자, GIST 석사졸업), 이길주(공동 제1저자, GIST 통합과정) 연구원 등이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실지원 사업, 미래소재디스커버리 사업, 글로벌박사양성 사업과 국방과학연구소의 기초연구과제와 GIST Research Institute (GRI)의 지원을 받아 수행되었으며, 국제 학술지인‘Scientific Reports’에 2019년 3월 4일자로 게재 승인되었다.