국내 연구진이 ㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 수준의 발광 구조를 3차원(D) 프린팅으로 밝혀냈다. 이번 연구는 디스플레이 장치에 필요한 발광 소자를 나노 수준으로 줄이는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.
표재연 한국전기연구원 선임연구원 연구팀은 나노 포토닉 3D 프린팅 기술로 나노 구조에서 관찰되는 고지향성 발광 패턴을 규명하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.
디스플레이 해상도가 높아지기 위해선 한 화면에 화소 수가 많아져야 한다. 화소의 밀도를 높이려면 발광 소자를 ㎛(마이크로미터·1㎛는 100만분의 1m)에서 ㎚ 수준까지 낮춰야 한다. 하지만 발광 소자가 ㎚ 수준으로 작아지면, 빛과 물질의 상호작용이 기존 빛 성질과는 다르게 나타났다. 나노 수준의 발광 소자를 활용하기 위해선 패턴을 먼저 이해해야 한다.
연구팀은 나노 포토닉 3D 프린팅 기술을 활용해 나노 발광 소자의 패턴을 찾아냈다. 나노 포토닉 3D 프린팅은 발광 기능성 소재를 잉크로 만들어 ㎚급 소자 구조물을 만드는 기술이다. 전기연이 보유한 3D 프린팅은 발광 소재를 지름 1만~1000만분의 1m 수준의 구조물로 만들 수 있다.
연구팀은 3D 프린팅으로 발광 소자를 만든 뒤 발광 실험과 전자기파 시뮬레이션을 했다. 그 결과, 발광 소자는 지름 300㎚ 수준으로 작아지면 공간 제한으로 빛의 내부 반사가 없어졌다. 빛은 한 방향으로만 나아가며 높인 방향성의 발광 패턴을 보였다. 기존 발광 소자는 빛이 구조물 내부에서 다양한 경로로 퍼지고 중첩되면서 넓은 발광 패턴을 보인다. 하지만 나노 발광 소자는 단일 경로로만 빛이 나아갔다.
나노 발광 소자의 고지향성 특징은 디스플레이와 광 저장 매체, 암호화 장비의 성능을 높일 수 있다. 기존 소자들은 서로 가까이 있으면 넓은 발광 패턴 때문에 ‘광신호 간섭’이 발생했다. 하지만 고지향성 나노 발광 소자는 화소 간 구분이 명확해 밀도가 높아도 왜곡이 발생하지 않는다.
표재연 선임연구원은 “나노 영역에서의 광 물리 연구는 시편 제작이 어렵지만, 이번에는 3D 프린팅 플랫폼으로 나노 구조의 발광 양상을 규명했다”며 “디스플레이와 양자 분야의 기술 경쟁력 향상에 크게 이바지할 것”이라고 말했다.
연구성과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 지난 12일 표지논문으로 게재됐다.
참고 자료
ACS Nano(2024), DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02820