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< 최경철 교수, 이성민 박사과정 >

- KAIST 이성민 박사과정 학생, 투명 LCD‧PDP‧LED 광 효율 개선에 적용 가능한 원천기술 -
- 나노 표면 플라즈몬 현상 이용해 1.6배 이상 발광효율 향상돼 -
- 나노기술 분야 세계적 학술지 "스몰(Small)" 3월호 게재 -

우리 학교 전기및전자공학과 이성민 박사과정 학생(지도교수 최경철)이 나노 표면 플라즈몬 현상을 이용해 투명 디스플레이의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발했다.

이 기술을 스마트 쇼윈도우, 스마트 미러, 투명 단말기, 투명 핸드폰 등과 같은 투명한 디스플레이에 적용하면 보다 선명하게 볼 수 있는 투명디스플레이가 나올 것으로 기대된다.

현재 개발되고 있는 투명디스플레이는 출력되는 영상이 선명하지 않아 미세한 구별이 어렵기 때문에 실질적으로 상용화하기에는 역부족이라는 게 관련업계의 평이다. 왜냐하면 빛을 내는 형광체의 발광세기가 충분히 높지 않기 때문이다. 또 형광체 재료로 사용되는 희토류 금속의 가격이 폭등하고 있는 것도 상용화를 위한 걸림돌로 지적돼왔다.

이번 연구는 전기 및 전자 공학과 최경철 석좌교수팀의 이성민(31) 박사과정 학생이 주도했으며, 연구결과는 나노기술 분야 세계적 권위지 ‘스몰(Small)’ 온라인 판 3월호에 게재됐다.

최 교수 연구팀은 이번 연구를 위해 금속은 불투명하고 빛을 반사하는 특성이 있는데, 금속을 나노입자 수준으로 아주 작게 만들면 빛이 금속입자를 통과해 투명하게 보이고, 금속입자들은 공명현상을 일으켜 발광세기를 증가시키는 ‘표면 플라즈몬’ 현상에 착안했다.

이 현상을 이용해 최 교수팀은 나노크기의 은(Ag)을 희토류 금속이온이 첨가된 투명 형광물질로부터 수십 나노미터 이내에 위치하게 하면 투명 형광물질의 발광세기가 최대 63.7% 향상시킬 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

또 이 원리를 이용하면 전기·광학적 효율도 11%나 향상돼 저전력 투명디스플레이 소자를 구현할 수 있다는 점도 이번 연구를 통해 밝혀낸 또 다른 성과다.

이 기술은 최 교수 연구팀이 지난 2009년 나노 표면 플라즈몬을 이용해 OLED의 밝기를 증가시킨 것에 대한 후속 연구 성과로 나노 표면 플라즈몬의 차세대 디스플레이에 대한 활용 가능성을 높였다는 점에서 획기적인 연구 성과로 꼽힌다.

최경철 교수는 “표면 플라즈몬은 금속박막 또는 나노입자 표면에서 일어나는 표면 자유전자들의 집단적인 진동현상”이라며 “발광체 주변에서 표면 플라즈몬 공명 특성이 나타날 경우 발광체의 발광 재결합 속도가 증가해 발광체의 발광 특성이 향상될 수 있다”고 설명했다.

특히 “이번 연구 성과는 나노 표면 플라즈몬 기술을 사용하기 때문에 소자의 투명도를 유지하면서 발광체의 광 특성을 향상시켜 투명한 LCD, PDP, LED 등 미래 투명디스플레이 소자에 확대적용이 가능하다”고 강조했다.

최 교수는 또 “이번 기술은 디스플레이 형광체에 사용되는 희토류 금속 이온의 발광 특성을 원천적으로 향상시킬 수 있는 기술로서 희토류 금속 사용량을 적게 하면서도 높은 광 효율을 얻을 수 있다”며 “최근 들어 희토류 금속 가격이 3~6배 폭등하는 세계 시장 속에서 국가 경쟁력을 강화시킬 수 있는 핵심 원천기술이 될 것”이라고 덧붙였다.(끝).

□ 용 어 해 설
- 투명 디스플레이 : 빛을 내는 형광물질과 광자발광, 전계발광, 음극선 발광 원리를 이용하여 구성된 디스플레이로서 투명 재료 기술을 접목하여 발광하지 않는 상태에서는 투명하다가, 발광을 하는 경우 이미지 및 동영상을 구현할 수 있는 형태의 차세대 디스플레이 소자.

- 나노 플라즈몬 현상 : 나노 크기로 형성된 금속 나노 입자에 특정 광원이 입사되었을 때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 공진적으로 진공하는 유사입자를 지칭한다. 금속 나노 입자의 재질, 모양 및 주변의 굴절률에 따라 공진하는 파장이 결정되므로 특정 색상을 띠게 되고, 유도된 표면 플라즈몬은 금속 나노 입자주위로 한정되는 특징이 있다.
- 진공 열증착법 : 10-4 Torr 이하 높은 진공상태에서 증착하고자 하는 물질에 열을 가하여 기화시킨 후, 기체상태의 물질이 목표 기판에 도달하여 박막으로 증착시키는 방법. 

- 광효율 : 소비되는 전기량(전력) 대비 빛의 밝기가 어는 정도 인지는 알려주는 물리적인 양.

- 희토류 금속 : 첨단 산업에서 많이 사용되는 원소로서 란타넘 계열의 금속 원소 및 스칸듐과 이트륨을 합쳐 총 17종의 금속원소를 지칭하는데, 디스플레이 산업에서는 가시광선 영역의 빛을 발광하는 형광체를 제조하는 데 사용된다. 최근 디스플레이 산업의 원자재 가격 상승 문제와 관련하여 희토류 금속의 가격이 상승에 대한 관심이 증가하고 있다.

그림1. "나노 표면 플라즈몬‘ 이 발생하는 경우 전기적 필드가 집중되는 모습

그림2. "나노 표면 플라즈몬‘ 이용한 투명 디스플레이


그림 3 : 나노 플라즈몬 공명을 유도하기 위한 은 나노 입자의 형상