간단한 구조로 풀컬러 재현, 광정보 암호화 및 디스플레이에 적용 가능

서울대 공대는 이병호 전기·정보공학부 교수와 정택동 화학부 교수, 선호정 군산대학교 신소재공학과 교수로 구성된 공동 연구팀이 전기 변색 물질인 산화텅스텐 나노 박막을 이용한 디스플레이 소자를 개발했다고 16일 밝혔다. 생산 비용과 소모 전력을 줄이고 보다 더 얇은 디스플레이 개발 가능성에 한 발 다가선 연구 결과이다.

전기 변색은 전압에 따른 전기화학적 반응에 의해 물질의 색이 바뀌는 현상으로서 각각의 전기 변색 물질은 산화·환원에 따른 고유한 발현색을 가지는 것으로 알려져 있다. 대표적 전기 변색 물질인 산화텅스텐의 경우 투명한 상태에서 환원 전압을 통해 리튬 이온이 물질에 주입되면서 짙은 청색으로 변색되며 이를 산화 전압을 통해 리튬 이온을 다시 추출함으로써 투명한 상태로 돌아올 수 있다.

낮은 전압으로 색을 바꿀 수 있는 이 현상을 디스플레이에 이용하려는 연구가 많이 행해졌으나 청색 이외의 다른 색으로 변색될 수 없는 한계 때문에 다양한 색을 표현하고 세기를 조절하는 데 어려움을 겪어왔다.

▲ 산화텅스텐 박막을 이용한 나노광소자(위) 소자 동작 원리: 인가된 환원·산화 전압을 통해 리튬 이온을 산화텅스텐에 주입하거나 추출함으로써 색을 바꾸거나(반사형 타입) 색의 세기를 조절(투과형 타입)(아래) 산화텅스텐을 환원·산화 시킴으로써 글씨를 감추고 복원하는 것이 가능한 광정보 암호화 소자

이병호 교수 공동 연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 대략 성인 머리카락 굵기의 1/500에 해당되는 나노미터 두께의 산화텅스텐 박막을 반도체 및 금속에 결합하여 다양한 색 재현 및 변색이 가능한 광소자를 개발했다.

복잡한 구조를 사용하지 않고 실리콘 반사판 위에 겹겹이 쌓인 산화텅스텐 구조를 만들어 그 두께에 따라 반사된 빛의 다양한 색을 재현하였으며 산화·환원 전압을 통해 반사된 빛의 색이 다른 색으로 변하는 원리를 기반으로 광정보 암호화 소자를 제작해 디스플레이 소자 응용 가능성을 확인했다.

또한 산화텅스텐 박막을 나노미터 두께의 금속과 결합하여 기존의 디스플레이에서 사용되는 색 영역의 약 94%를 표현할 수 있는 투과형 RGB (빨강, 초록, 파랑) 칼라픽셀을 재현하고 그 세기를 전압으로 제어하는 데 성공했다. 제작된 광소자는 간단한 적층형 구조로서 200나노미터 이하의 두께이며 색 유지를 위한 전압이 필요하지 않아 저비용, 초박형, 저전력 디스플레이의 개발에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.

실험을 주도한 이요한 박사는 “이번 연구를 통해 전기 변색 물질을 이용한 풀컬러(full color) 디스플레이 소자 개발에 한 걸음 더 다가섰다”며 “보다 개선된 소자 구동 가역성 및 응답속도 확보가 실용화를 위한 관건”이라고 설명했다.

이 연구는 미국 화학회(ACS)에서 출판하는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 7월 6일 온라인 논문으로 게재됐다.