나노 구조의 발광 패턴, 3D프린팅 기술로 세계최초 규명

한국전기연구원(KERI) 표재연 박사팀이 3D 프린팅 기술을 활용해 나노미터(10억 분의 1m) 구조의 발광 패턴을 세계 최초로 규명했다.

나노 포토닉 3D 프린팅 기술로, 나노미터급 고해상도 3D 프린팅으로 광소자를 구현하는 이 기술은 발광 기능성 소재를 잉크화해 나노미터급 구조물을 제작할 수 있다. 초고해상도 디스플레이, 보안 인쇄, 정보 저장 등에 혁신을 가져올 것으로 주목받고 있다.

발광 소자의 크기가 수백 나노미터 수준으로 작아지면, 빛과 물질의 상호작용에 특이한 변화가 발생해 기존의 전형적이고 일관된 발광 패턴과는 큰 차이를 보이게 된다. 이러한 특이한 발광 패턴을 이해하는 것은 나노 발광 소자의 실제 활용을 위해 선행돼야 하는 필수 요소다.

KERI 연구팀은 3D 프린팅 기술로 ㎚(나노미터)에서 ㎛(마이크로미터, 100만 분의 1m) 수준까지 정교하게 구현한 시편을 통해 발광 양상을 실험적으로 측정하고, 전자기파 시뮬레이션도 함께 수행했다. 그 결과, 발광 소자의 크기가 직경 300㎚ 수준으로 아주 미세하게 작아지면 공간 제한으로 인해 빛의 내부 반사가 없어져 일직선의 한 방향으로만 전파되고, 그로 인해 빛이 방출될 때 높은 지향성(방향성)의 발광 패턴을 보인다는 것을 확인했다.


이러한 특성은 디스플레이, 광 저장 매체, 암호화 장비 등의 성능을 크게 높이는 데 활용할 수 있다. 기존 넓은 발광 패턴을 갖는 구조물들은 가까이 모이면 서로 중첩되거나 뭉개지는 '광신호 간섭(Optical Crosstalk)'이 발생한다. 반면, 고지향성 발광 패턴을 갖는 나노선은 높은 밀도로 모여도 화소 간 구분이 명확히 가능하고, 정보 해석에 왜곡이 없어지기 때문에 고성능 장치 구현에 활용될 수 있다.

이 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 나노과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 'ACS Nano'에 표지 논문으로 게재됐다.

표재연 박사는 "나노 영역에서의 광물리 연구는 시편 제작이 어렵고, 비용과 시간이 많이 드는데, 우리는 간단하고 유연한 3D 프린팅이라는 플랫폼으로 나노 구조의 발광 양상을 최초로 규명했다"라고 밝히면서 "연구 결과는 첨단 디스플레이나 양자 분야의 기술 경쟁력 향상에 크게 기여할 것"이라고 전했다.

한편, 초소형 발광 소자가 활용될 수 있는 가상현실(AR, VR), 빔 프로젝터, 광 저장 매체, 광 집적회로, 암호화 기술, 보안 인쇄 등의 분야에서 주목받을 것으로 보인다.