유전체를 이용해 나노 플라즈몬 컬러필터 대량 생산 가능
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유전체를 이용해 나노 플라즈몬 컬러필터 대량 생산 가능
  • 이경은 기자
  • 승인 2013.03.26 13:06
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[전기및전자공학과 최경철 교수팀]레이저 리소그래피로 나노 미터 크기의 구멍 제작하고 유전체 플루오르화 리튬을 부착해 투과율 향상시켜

 우리 학교 전기및전자공학과 최경철 교수와 고려대학교 전기전자전파공학부 주병권 교수 공동 연구팀이 나노 표면에서 발생하는 플라즈몬 효과를 이용해 디스플레이 컬러필터를 상용화할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구는 나노기술 분야의 저명한 학술지 <어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Opt-ical Materials)> 2월 호 표지 논문으로 선정되었다.

 

복잡하고 한계가 뚜렷한 기존 컬러필터 공정 방식
우리가 일상생활에서 자주 이용하는 카메라나 TV에는 모두 컬러필터가 부착되어있다. 컬러필터는 백색광에서 화소 단위로 적색, 녹색, 청색을 추출해 디스플레이에서 특정 색을 구현할 수 있게 만드는 박막 형태의 광학부품이다. 현재는 유기물을 이용해 필름 형태로 필터를 만들고 있는데, 이 방법은 염료와 안료 물질을 코팅하기 때문에 공정 과정이 복잡하고 비용도 많이 들어간다. 이런 이유로 최근에는 플라즈몬 효과를 이용한 컬러필터 생산 공정이 관심을 받고 있다.
 
플라즈몬 효과를 이용해 투과율 향상시켜
기존 방식은 필터 생산 과정 중 플라즈몬 효과를 적용하는 데에 공정적인 에러 현상이 있어 마이크로미터 크기의 극소 면적에만 구현할 수 있었다. 그러나 이번 연구에서는 레이저 간섭 리소그래피 기술과유전체를 부착한 설계 방식으로 2.5cm 크기까지 컬러필터를 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 
나노 크기의 구멍이 뚫린 금속에 빛을 쪼여주면, 금속 입자가 반응해 특정 파장 영역에서 공명한다. 구멍이 없는 곳에 빛을 쪼여도 공명 현상 때문에 빛이 금속 표면을 타고 흘러 구멍으로 빠져나가게 되는데, 이것이 나노 표면 플라즈몬 효과다. 이때 어떤 색을 투과시킬 것인가는 금속 물질과 나노 크기 구멍 사이의 간격으로 조절할 수 있다. 구멍을 통과하는 빛의 양이 많아지므로 표면 플라즈몬 효과가 일어나면 일어나기 전보다 투과율이 획기적으로 증가한다. 
 
▲ 2월 호 <어드밴스드 옵티컬 머티리얼스> 표지 /최경철 교수 제공
레이저의 간섭 현상을 이용해 나노 패턴 형성
연구팀은 이 플라즈몬 효과를 이용하기 위해 금속 기판을 설계하고 레이저 간섭 리소그래피 기술을 이용했다. 주 교수팀은 감광 수지로 도포한 금속 기판에 레이저 간섭 리소그래피 기술로 일정 패턴으로 나노 크기의 구멍을 뚫었다. 레이저 간섭 리소그래피 기술은 레이저의 간섭 현상을 이용한 기술이다. 각각 파장이 다른 레이저를 쏘아 빛의 간섭 현상이 일어나면 레이저는 한 점이 아닌 선으로 나타난다. 이 선을 가로로 한 번, 또 세로로 한 번 쏘아주면 두 선이 겹치는 부분의 감광 수지가 화학적 반응을 일으킨다. 감광 수지는 빛에 의해 화학적 변화를 일으키는 물질로, 일정량 이상의 빛을 받으면 용해하거나 응고하는 반응을 일으킨다.
 
투과율을 높이는 유전체 부착해
최 교수팀은 플라즈몬 효과를 컬러필터 공정에 효율적으로 적용하도록 설계 했다. 기존에는 나노 크기의 구멍이 뚫린 금속 아래쪽에 유리 기판을 부착했다. 최 교수팀은 플라즈몬 효과를 발생시키기 위해 금속 위, 그리고 금속과 유리 기판 사이에 유전체 플루오르화 리튬을 150nm 두께로 쌓았다. 금속과 유전체 사이에서는 플라즈몬 현상이 일어난다. 금속 위쪽 표면과 아래쪽 표면이 같은 파장 영역에서 공명 현상을 일으켜야 투과율이 증가하기 때문이다. 한쪽에만 유전체를 부착하면 투과율이 두 쪽에 부착한 것보다 떨어진다.
 
컬러필터의 해상도도 높아져
유전체 플루오르화 리튬은 컬러필터의 해상도를 높이는 데에도 중요한 역할을 한다. 컬러필터로 해상도 높은 청색을 추출하려면 공명 현상이 짧은 파장 영역에서 일어나야 한다. 청색이 400~500nm 정도의 짧은 파장을 가진 빛이기 때문이다. 일반적으로 공명 현상을 짧은 파장 영역에서 일어나게 하려면 구멍 사이의 간격을 좁혀야 한다. 그런데 이렇게 설계하면 산업체에서 공정 도중에 에러가 생긴다. 
최 교수팀은 유전체를 이용해 이런 한계를 극복했다. 굴절률이 낮을수록 파장이 짧은 영역에서 공명 현상이 일어나는데, 플루오르화 리튬은 유리보다 작은 굴절률을 가지고 있다. 결국, 구멍 사이 간격을 좁힐 필요가 없어 에러 없이 청색을 추출할 수 있게 된 것이다.
 
연구팀은 유전체를 이용해 공정 과정 효율과 투과율을 높였다. 이번 연구는 기존에 20~30%에 불과하던 컬러필터의 투과율을 40%까지 끌어올렸다. 최 교수는 “이번 연구는 실제로 표면 플라즈몬 효과를 이용해 디스플레이 TV를 양산할 가능성을 보여준 원천기술에 해당한다”라고 말했다. 이 연구는 현재 관련 특허 6건을 출원 중이다.

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