POSTECH 연구팀, 메타표면 컬러필터 개발

박영재 기자 | 기사입력 2022/05/24 [10:52]

【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 자연에 존재하지 않는 물질인 ‘메타표면’으로 고성능 스마트폰의 120배에서 170배 해상도에 달하는 컬러필터를 만들어냈다.

 

▲ On/off가 가능한 액정 결합 능동형 3원색 컬러필터 및 구현된 사진 수준의 이미지 (C) 포스텍


24일 POSTECH 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 박사과정 트레본 베드로(Trevon Badloe) 씨·통합과정 김주훈 씨·김인기 박사(현 성균관대 생명물리학과 교수), 화학공학과 김영기 교수·통합과정 김원식 씨, 전기전자공학과 김욱성 교수 연구팀은 이 같은 내용의 연구를 진행, 국제 학술지 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science & Application)’에 최근 발표했다고 밝혔다.

 

나노 구조체의 주기적인 배열로 이뤄진 메타표면은 구조색의 밝기가 밝을 뿐만 아니라, 색을 선명하게 표현할 수 있는 소재로 주목받고 있다. 기존에도 금속 구조체를 이용한 플라즈모닉 구조색이나, 유전체 재료를 이용한 구조색으로 선명한 컬러 이미지를 인쇄하려는 연구가 진행된 바 있다. 다만 이 기술을 상용화하기 위해서는 우선 특정 자극에 의해 색깔이 변하는 유연한 인쇄 기술이 필요했다.

 

연구팀은 채도와 휘도가 높은 3원색을 자유자재로 끄고 켤 수 있는 메타표면 컬러필터를 개발했다. 빨강, 초록, 파랑 등 3원색을 각각 픽셀 단위로 제어할 수 있다면 색상을 유연하게 표현할 수 있다는 점에 착안한 것이다.

 

이 컬러필터는 3원색의 밝기를 각각 조절하면서 서로 색깔을 섞어 다양한 색을 만들 수 있다는 게 특징이다. 따라서 블랙, 화이트를 비롯하여 다양한 색의 밝기를 연속적으로 조절할 수 있다. 밝기 조절이 불가능하고, 하나의 픽셀로 다양한 색을 표현했던 기존의 컬러필터와 크게 차별화되는 점이다.

 

하나의 픽셀이 420nm(, 1nm=10억분의 1m)(빨강), 360nm(초록), 300nm(파랑) 크기로 매우 작은 이 컬러필터의 해상도는 무려 60,000PPI(Pixels Per Inch, 1인치당 픽셀의 개수)(빨강), 70,000PPI(초록), 85,000(파랑)에 이른다. 우리가 흔히 쓰는 최신 스마트폰이 500PPI 정도인데, 이보다도 약 120배에서 170배 높다. 연구팀은 머리카락의 두세 가닥에 달하는 2~300마이크로미터(㎛) 두께에 선명한 이미지를 표현하는 데 성공했다.

 

가볍고 얇은 디스플레이에서 선명한 이미지를 표현할 수 있도록 한 이번 연구 성과에 학계에서도 관심이 집중된다. 나아가, 색상을 각각 제어할 수 있기 때문에 암호화 장치나 반사 디스플레이로도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

 

한편, 이 연구는 삼성미래기술육성센터, 포스코산학연융합연구소, 한국연구재단 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

 

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 

POSTECH research team develops metasurface color filter

 

The POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-Hwan) research team created a color filter with a resolution of 120 to 170 times that of a high-performance smartphone with ‘metasurface’, a material that does not exist in nature.

 

24th POSTECH Department of Mechanical Engineering and Chemical Engineering Professor Noh Jun-seok, Mechanical Engineering Ph.D. course Trevon Badloe, integrated course Kim Joo-hoon, Kim In-ki (currently, Sungkyunkwan University Biophysics Department), Chemical Engineering Department Professor Kim Young-ki, integrated course Kim Won-sik, electricity Professor Wook-Seong Kim's research team in the Department of Electronic Engineering announced that the research was conducted in this way and was recently published in the international journal 'Light: Science & Application'.

 

A metasurface composed of a periodic arrangement of nanostructures is attracting attention as a material capable of vividly expressing colors as well as having bright structural colors. Previous studies have been conducted to print vivid color images with plasmonic structural colors using metal structures or structural colors using dielectric materials. However, in order to commercialize this technology, flexible printing technology that changes color in response to specific stimuli was required.

 

The research team developed a metasurface color filter that can turn on and off the three primary colors with high saturation and luminance at will. It is based on the fact that if the three primary colors such as red, green, and blue can be controlled in units of pixels, colors can be expressed flexibly.

 

This color filter is characterized by being able to create various colors by mixing colors with each other while adjusting the brightness of each of the three primary colors. Therefore, it is possible to continuously adjust the brightness of various colors including black and white. It is not possible to adjust the brightness, and it is greatly differentiated from the existing color filters that express various colors with one pixel.

 

With a single pixel of 420 nm (, 1 nm = 1 billionth of a meter) (red), 360 nm (green), and 300 nm (blue), this very small color filter has a resolution of 60,000 PPI (Pixels Per Inch, number of pixels per inch). ) (red), 70,000 PPI (green), and 85,000 (blue). The latest smartphones we commonly use are around 500 PPI, which is about 120 to 170 times higher than this. The research team succeeded in expressing a clear image at a thickness of 2 to 300 micrometers (㎛), equivalent to two or three strands of hair.

 

The academic community is also paying attention to the results of this research, which enables a clear image to be expressed on a light and thin display. Furthermore, since each color can be controlled, it is expected to be used as an encryption device or a reflective display.

 

Meanwhile, this research was carried out with support from the Samsung Future Technology Development Center, the POSCO Industry-Academic Research Institute, and the National Research Foundation of Korea.


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