1.5V 저전압으로 색 연속 제어…발광 폭 1nm 수준 구현
카이랄 액정 결합으로 RGB 구조 탈피…차세대 AR·VR·홀로그램 핵심 광원 기대
LASER @ Photonics Review 내표 표지 연구 선정[제공=POSTECH]
OLED 대비 수십 배 높은 색순도를 구현하는 초고순도 레이저 발광의 색을 자유롭게 제어할 수 있는 시대가 열리고 있다.
POSTECH 전자전기공학과 최수석 교수 연구팀(김혜린 석사, 박정우 통합과정, 정원태 박사과정 등)은 건전지 한 개 수준의 저전압에서 초고색순도의 발광 빛의 색을 연속적으로 자유롭게 조절할 수 있는 차세대 가변색 레이저 발광 기술을 개발했다.
이번 연구는 광학 분야 국제 학술지 Laser & Photonics Reviews 속표지(Inside Front Cover) 논문으로 선정되며 우수성을 인정받았다.
빛의 색 순도는 특정 파장의 빛이 얼마나 좁은 스펙트럼에 집중돼 있는지에 따라 결정된다. 여러 색이 섞일수록 색이 탁해지는 물감과 같이, 발광 스펙트럼이 좁을수록 더욱 선명하고 순수한 색 구현이 가능하다.
이상적인 단일 색의 발광 폭은 약 1 nm 수준이지만, 현재 디스플레이에 사용되는 OLED는 약 40 nm, 양자점(Quantum Dot) 기반 소재 역시 약 30 nm 수준의 비교적 넓은 발광 폭을 가지며 이는 색 순도와 표현력의 근본적인 한계로 작용해왔다.
특히 홀로그램 및 차세대 AR·VR 디스플레이와 같이 빛의 회절과 정밀한 광학적 위상 제어가 요구되는 시스템에서는 레이저 수준의 초협대역(약 1 nm) 광원이 필수적이다.
그러나 기존 OLED 기반 디스플레이는 넓은 스펙트럼을 갖는 적·녹·청(RGB) 광원을 혼합하는 방식이어서 광효율 저하와 색 표현의 연속성 한계로 인해 이러한 응용에 적용하기 어려웠다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 OLED 형광체와 카이랄 액정(Chiral Liquid Crystal, CLC)을 결합한 새로운 광구조를 제안했다.
카이랄 액정은 분자가 나선형으로 배열돼 특정 파장의 빛을 선택적으로 공진·증폭하는 특성을 갖는다.
이를 활용해 OLED 형광체의 넓은 발광 스펙트럼을 공진 구조 내에서 재구성함으로써, 발광 폭을 약 1 nm 수준으로 극단적으로 줄인 레이저 발광을 구현했다.
그 결과 기존 OLED 대비 수십 배 높은 색순도를 갖는 초고순도 광원을 확보하는 데 성공했다.
더 나아가 연구팀은 차세대 반도체 기술 등에 활용되는 전기열 구동(electrothermal actuation) 방식을 도입해 레이저 발광 파장을 능동적으로 제어하는 기술도 구현했다. 소자에 전류를 인가하면 발생하는 미세한 열 변화가 카이랄 액정의 나선 피치를 조절하고 이에 따라 공진 파장이 변하면서 발광 색이 연속적으로 변화하는 원리다.
특히 1.5 V 이하의 저전압에서 가시광 전 영역에 근접한 약 135 nm의 파장 변조를 구현해 기존 레이저 기술 대비 실용성을 크게 높였다.
또 기존 디스플레이가 RGB 개별 화소를 필요로 하는 것과 달리, 이번 기술은 단일 픽셀 내에서 전 영역의 색을 연속적으로 생성할 수 있다는 점에서 구조적 혁신성을 갖는다.
별도의 색 조합 없이 하나의 소자에서 모든 색을 구현할 수 있어 디스플레이 구조를 근본적으로 단순화할 수 있다. 아울러 초발광 특성과 함께 수직형 레이저 발광을 저전압에서 구현하면서 색 가변까지 동시에 달성했다는 점에서도 주목된다.
이번 연구는 기존 디스플레이 기술의 핵심 한계였던 낮은 색순도, 복잡한 다중 광원 구조, 제한된 색 제어성을 동시에 극복한 차세대 발광 기술로 평가된다.
향후 홀로그램 디스플레이, AR·VR 기기, 광통신, 바이오 센서, 차세대 광전자 반도체 등 다양한 첨단 분야로의 확장이 기대된다.
최수석 교수는 “디스플레이 소재인 OLED와 카이랄 액정을 결합해 초고색순도의 레이저 발광을 구현하고 이를 저전압에서 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 제시했다”며 “향후 디스플레이와 광전자 소자의 구조를 근본적으로 변화시킬 핵심 플랫폼 기술로 발전할 것”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 디스플레이 지정테마 연구 지원을 받아 수행됐다.
OLED 발광체와 카이랄 액정을 동시 활용한 색파장 조절 LASING 연구 개념
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