나노 구조의 발광 패턴, 3D프린팅 기술로 세계최초 규명
한국전기연구원 표재연 박사팀, 나노선 구조에서의 광물리 현상 규명
초고해상도 디스플레이 분야 기술 혁신 기대, ACS Nano 표지논문 게재
한국전기연구원(KERI) 표재연 박사팀이 세계최초로 3D프린팅 된 나노 구조의 발광 패턴을 규명했고, 관련 연구 결과는 국제 학술지 ACS Nano의 표지논문으로 게재됐다.
디스플레이 장치에서 해상도가 높다는 것은 한 화면 안에 화소의 수가 많다는 것을 의미한다. 화소의 밀도가 높아지면 그만큼 영상이나 사진이 더 정밀하고 섬세하게 표현된다. 따라서 화소의 밀도를 높이기 위해 발광 소자를 마이크로미터(1백만분의 1미터)를 넘어 나노미터(10억분의 1미터) 수준까지 더 작게 제작하기 위한 연구가 계속되고 있다.
발광 소자의 크기가 수백 나노미터 수준까지 작아지면, 빛과 물질의 상호작용에 특이한 변화가 발생하여 기존의 전형적이고 일관된 발광 패턴과는 큰 차이를 보이게 된다. 이런 특이한 발광 패턴을 이해하는 것은 나노 발광 소자의 실제 활용을 위해 선행되어야 하는 필수 요소다.
이에, 나노 포토닉 3D프린팅 기술로 수년간 디스플레이 분야를 연구해 온 KERI 연구팀이 그동안 축적해 온 연구 역량을 바탕으로 나노 구조에서 관찰되는 고지향성(Highly directional) 발광 패턴을 규명하는데 성공했다.
일반적으로 기존의 화학적·물리적 증착법으로는 발광 소재를 원하는 위치에 원하는 크기로 균일하게 제작하기가 어렵다. 반면, KERI 3D프린팅 기술은 인쇄 노즐의 구경으로 구조물의 직경을 한정할 수 있어 발광 소재를 원하는 위치에 넓은 범위에 걸쳐 원하는 크기(직경 1만분의 1미터 ~ 1천만분의 1미터)로 신뢰성 있게 제작할 수 있다.
표재연 박사팀은 3D프린팅 기술로 나노미터에서 마이크로미터 수준까지 정교하게 구현한 시편을 통해 발광 양상을 실험적으로 측정하고, 심층 분석과 교차 검증을 위해 전자기파 시뮬레이션도 함께 수행했다.
그 결과, 발광 소자의 크기가 직경 300나노미터 수준으로 아주 미세하게 작아지면 공간 제한으로 인해 빛의 내부 반사가 없어져 일직선의 한 방향으로만 전파되고, 그로 인해 빛이 방출될 때 높은 지향성(방향성)의 발광 패턴을 보인다는 것을 규명했다. 기본적으로 빛은 구조물 내부에서 다양한 경로를 통해 전파되고, 이들의 중첩으로 인해 넓은 발광 패턴을 보이지만, 나노선 구조에서는 일직선인 단일 경로만 존재하여 고지향성 발광 패턴을 보이는 것이다.
이러한 특성은 디스플레이, 광 저장매체, 암호화 장비 등의 성능을 크게 높이는 데 활용될 수 있다. 기존 넓은 발광 패턴을 갖는 구조물들은 가까이 모이면 서로 중첩되거나 뭉개지는 ‘광신호 간섭(Optical Crosstalk)이 발생한다. 반면, 고지향성 발광 패턴을 갖는 나노선은 높은 밀도로 모여도 화소 간 구분이 명확히 가능하고, 정보 해석에 왜곡이 없어지기 때문에 고성능 장치 구현에 활용될 수 있음을 KERI 연구진이 실험적으로 제안했다.
해당 연구 결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 나노과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 ‘ACS Nano’에 표지논문으로 최근 게재됐다. 학술지의 영향력을 평가하는 ‘JCR Impact Factor’는 15.8로, 해당 분야 상위 5.9%에 속한다.
표재연 박사는 “나노 영역에서의 광물리 연구는 시편 제작이 어렵고, 비용과 시간이 많이 드는데, 우리는 간단하고 유연한 3D프린팅이라는 플랫폼으로 나노 구조의 발광 양상을 최초로 규명했다”라고 밝히며 “본 연구 결과는 국가전략기술인 첨단 디스플레이나, 양자 분야의 기술 경쟁력 향상에 크게 기여할 것”이라고 전했다.
연구팀은 이번 연구가 초소형 발광 소자가 활용될 수 있는 가상현실(AR, VR), 빔 프로젝터, 광 저장매체, 광 집적회로, 암호화 기술, 보안 인쇄 등의 분야에서 주목받을 것으로 보고, 성과의 응용·확산에 나선다는 계획이다. 또한, 원하는 구조물을 자유롭게 만들어낼 수 있는 3D프린팅 기술을 활용해 나노미터 영역에서 발생하는 다양한 광물리 현상을 계속해서 규명한다는 목표다.
한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 표재연 박사는 과학기술연합대학원대학교(UST)의 부교수로도 활동하고 있다.
한국전기연구원(KERI)
Emission Directionality of 3D-Printed Photonic Nanowires
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.4c02820
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