KAIST, 모든 색 내는 반사형 디스플레이 입자기술 개발

KAIST(총장 강성모)가 특정 파장의 빛을 선택해서 반사, 색소 없이 다양한 색을 내는 미세 광 결정 기술을 개발했다. 이르면 5년 안에 차세대 반사형 디스플레이의 핵심 소재로 상용화될 전망이다.

KAIST는 김신현 생명화학공학과 교수와 지금은 고인이 된 신중훈 나노과학기술대학원 교수팀이 나노 구조의 규칙성을 활용, 원하는 빛을 내는 차세대 반사형 디스플레이용 광 결정 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

반사형 디스플레이는 외부 광원을 광 결정으로 반사하는 차세대 디스플레이다. 액정표시장치(LCD)와 달리 내부 광원이 필요 없어 전력 효율이 높다. 태양광 아래에서도 선명한 화질을 표현할 수 있다. 미세 구조에서도 RGB 삼원색을 모두 반사할 수 있는 광 결정을 구현하는 것이 관건이다.

새로 개발한 미세 광결정의 광학 현미경 사진(좌), 입자표면에 형성된 적층구조(우)
새로 개발한 미세 광결정의 광학 현미경 사진(좌), 입자표면에 형성된 적층구조(우)

그러나 기존의 광 결정은 100나노미터(㎚) 이하 미세 구조에서 여러 색을 표현할 수 없다. 결정 두께에 따라 각기 다른 색이 반사된다. 현재 기술로는 미세 광 결정의 빛 굴절률을 정교하게 조절할 수 없기 때문이다.

연구팀은 구형 미세 입자에 유리(SiO2), 이산화티탄(TiO2)을 부위별 다른 두께로 증착시켜서 굴절률을 조절했다. 구 형태의 경우 평면과 달리 위쪽 정상 부위에 더 큰 두께의 물질이 쌓이는 성질을 이용했다. 유리, 이산화티탄 소재의 자체 굴절률도 달라 정교하게 굴절률을 조절할 수 있다. 이 결과 정상 부위는 장파장의 빨간빛을 반사하고 측면 부위는 단파장의 파란빛을 반사하는 단일 미세 광 결정 구현에 성공했다. 빨간색, 파란색 중간의 색도 반사 지점을 조정, 모두 표현할 수 있다. 굴절률 변화주기는 측면에서 정상 부분으로 갈수록 커졌다.

외부 자기장에 따른 입자 배향 변화. 배향 각도에 따라 각기 다른 색을 낸다.
외부 자기장에 따른 입자 배향 변화. 배향 각도에 따라 각기 다른 색을 낸다.

연구팀은 자성을 활용한 광 결정 색 발현 제어에도 성공했다. 유리 및 이산화티탄 층 아래에 철 자성층을 추가로 증착했다. 철 자성층은 외부 자기장의 방향에 맞게 배향, 하나의 광 결정으로 모든 반사색을 낼 수 있게 한다.

연구팀은 앞으로 색 선명도를 높이는 추가 연구를 진행할 계획이다. 이르면 5년 안에 디스플레이에 적용할 가능성이 있을 것으로 내다봤다.

김 교수는 “기존의 평면이던 광 결정을 원형으로 만들고, 굴절률이 서로 다른 물질을 합성해 결정 하나로 여러 색을 낼 수 있게 했다”면서 “차세대 반사형 디스플레이는 물론 외부의 광원을 활용하는 안내판 등 많은 분야에서 활용할 수 있다”고 설명했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com