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뇌구조 모방한 전자소자로 저전력 천연색 디스플레이 만든다

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뇌구조 모방한 전자소자로 저전력 천연색 디스플레이 만든다

2020.09.01 12:31
노준석 포스텍 교수. 포스텍 제공.
노준석 포스텍 교수. 포스텍 제공.

구조색 기술은 염료를 사용하지 않기 때문에 색이 바래지 않고 외부의 강한 광원 없이 저전력 디스플레이 구현이 가능하다는 점에서 미래 디스플레이 기술로 꼽힌다. 그러나 구조색 기술은 소자를 한번 제작하고 나면 특성을 바꾸기 어려워 재현할 수 있는 색이 고정되는 단점이 있다. 

 

포스텍은 노준석 기계공학과·화학공학과 교수와 김인기 기계공학과 통합과정 연구원 연구팀이 정윤영 전자전기공학과 교수 연구팀과 함께 인간의 뇌 구조를 모방해 만든 반도체 칩을 활용해 염료를 사용하지 않고 다양한 색을 낼 수 있는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 

 

연구팀은 산화물 반도체의 일종인 ‘IGZO’를 이용해 구조색을 임의로 변경할 수 있는 기술을 개발했다. IGZO는 인듐과 갈륨, 아연, 산소로 구성된 디스플레이 패널이다. IGZO는 플렉서블 디스플레이뿐만 아니라 뇌 구조를 모방해 만드는 뉴로모픽 전자소자에도 활발히 이용되고 있는 소재다. 연구팀은 IGZO 소재를 나노광학 분야에 처음으로 접목시켰다. 

 

IGZO는 수소 플라즈마 처리 공정을 거쳐 층 안의 전자 농도를 임의로 조절할 수 있다. 이를 통해 가시광선 전 영역에서 굴절률을 조절할 수 있는 게 특징이다. 연구팀은 가시광선 영역에서 빛 손실이 극히 적어 매우 선명한 색을 투과시킬 수 있는 투과 형태의 가변형 컬러 필터를 구현할 수 있다는 사실을 실험으로 검증했다. 

 

연구팀이 개발한 IGZO 기반의 컬러필터 기술은 4층의 멀티레이어로 구성됐다. ‘파브리-페로’ 공진 특성을 이용해 선명한 색을 투과시킬 수 있다. 파브리-페로 공진이랑 여러 파장의 빛이 필터에 입사되면 특정 공간에서 다중간섭 현상을 일으켜 특정 파장만 투과시키고 다른 파장들을 반사해 원하는 데이터만 선별하는 원리다. 연구팀은 이를 통해 IGZO층의 전하 농도가 증가할수록 굴절률이 감소하고 선택적으로 투과되는 빛의 공명 특성을 변화시킬 수 있다는 사실을 실험으로 확인했다. 

IGZO 기반 가변형 컬러필터 기술 모식도 및 마이크로 컬러픽셀 실험 결과. 포스텍 제공.
IGZO 기반 가변형 컬러필터 기술 모식도 및 마이크로 컬러픽셀 실험 결과. 포스텍 제공.

연구팀이 고안한 컬러필터 설계 방식을 활용하면 대면적 디스플레이용 컬러필터에 접목이 가능하다. 마이크로(100만분의 1)나 나노(10억분의 1) 크기의 컬러 프리팅 기술에도 활용 가능하다. 

 

연구팀은 개발한 컬러필터의 성능을 검증하기 위해 마이크로미터 크기의 픽셀을 갖는 컬러프린팅 기술을 구현했다. 실험 결과 IGZO 층의 전하 농도에 따라 색을 임의로 조절하는 데 성공했다. 기존 소재에 비해 더욱 안정적이고 빠르게 구조색을 변화시킬 수 있다는 사실도 확인했다. 

 

노준석 교수는 “이번 연구는 차세대 산화물 반도체인 IGZO를 나노광학 구조색 디스플레이 기술에 적용한 첫 사례”라며 “차세대 저전력 디스플레이, 위변조 방지 디스플레이 기술 등에 접목될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘포토닉스 리서치’ 1일자에 발표됐다. 

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