나노 구조체 기반 컬러 필터 기술 동향
 

고해상도 디스플레이, CMOS 광학 센서, 3D 홀로그램 등 여러 분야에서 컬러 필터의 집적화 및 소형화에 대한 수요가 늘어나고 있다. 나노 구조체 컬러 필터는 광학적 회절 한계를 극복한 소형화가 가능하고 내구성, 공정 편리성 등 여러 장점을 가지고 있어, 기존의 잉크 형태로 착색되는 안료나 염료 방식의 컬러 필터를 대체하기 위한 선행 기술로서 연구 되어오고 있다.

이번 글에서는 나노 구조체 컬러 필터의 풀-컬러 색 재현율, 스케일 다운, 동적 응용 등 다양한 방면의 성능 이슈들과 해당 방면의 연구 동향들에 대해 살펴보고자 한다.



목차

1. 서론
2. 색 재현율 향상
3. 공간 해상도 향상을 위한 스케일 다운
4. 동적 컬러 필터 응용
5. 결론
6. 참고 문헌

글/ 고려대학교 주병권 교수 연구실
     주병권(고려대학교 전기전자공학부 교수)
     함상원(고려대학교 마이크로나노시스템협동과정 석박통합과정)
     장성우(고려대학교 전기전자공학과 석박통합과정)  

1. 서론

구조색이란 무엇인가? 구조색은 자연계에서 생물체가 색을 표현하는 방식으로 흔히 소개된다. 그림 1은 구조색의 대표적인 예시인 푸른 빛을 띄는 morpho 나비의 날개를 확대하여 관측한 결과로 복잡한 미세 패턴으로 이루어져 있음을 보인다. 구조색은 이와 같이 빛과 구조의 상호작용으로 광파의 간섭과 회절에 의해 특정 파장대역의 빛이 반사되거나 투과되어 색을 표현하는 것을 말한다.
 

그림 1. Morph 나비로 분류되는 (A) M. rhetenor와 (B) M. didius의 구조색 날개. (C), (D) 날개 표면의 광학 현미경 관측 이미지. (E)-(H) 각 개체의 SEM, TEM 측정 이미지. ^[1]

 

기존의 광학 소자에서 RGB를 표현하기 위해 사용되는 안료나 염료 방식과 비교하여 구조색 컬러 필터는 내구성, 내화학성이 우수하고, 동일한 재료들로 구조체의 크기 등의 파라미터 변경으로 다양한 컬러를 구현할 수 있으며, 광학적 회절 한계 부근에서도 그 특성을 유지하는 등 여러 차별화된 장점을 보인다. 자연적으로 형성된 복잡한 나노 구조의 형태와 배열에 대한 연구와 더불어 이를 모방하여 인공적으로 설계된 구조에서 색을 표현하도록 하기 위한 많은 연구들이 다방면으로 수행 및 발표되고 있다.

그림 2는 2003년 T. W. Ebbesen이 발표한 연구 내용으로, 금속 표면에 파장보다 작은 크기의 구멍을 뚫어 특정 파장 대역의 광파 투과가 향상되는 것에 대한 연구 보고이다. 이 연구에서 파장보다 작은 크기의 구멍을 빛이 투과하는 것에 대해일반적이지 않은 광학 현상이 주기적인 금속 패턴의 표면에서 빛과 플라즈몬의 결합에 의한 것임을 시사했다.
 

플라즈몬을 활용하면 전자기파를 매질 또는 계면 사이에 효율적으로 가둘 수 있어 포토닉스 장치에서 다양한 형태로 사용된다. 표면 플라즈몬은 특정 주파수에 반응하는 광학적 특성으로 양의 유전율을 갖는 유전 물질과 음의 유전율을 갖는 금속 사이의 계면을 따라 전파되는 빛 사이의 상호 작용에서 발생한다^{[3, 4]}.

이 현상은 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, SPP)으로 알려져 있으며 전자의 집단 진동은 금속의 외부 표면에 전자기장을 생성한다. 이 표면파는 자유공간에서 입사되는 빛의 파장보다 파장이 짧고 강도는 매질과 운동량의 기하학적 요인에 따라 달라진다. 매질과 구조의 기하학적 형태에 따라 전자기장의 계면 경계조건에 의해 SP mode를 충족하는 effective propagation number가 식 (1)로 표현된다.

 

그림 3(a)는 자유 공간에서 광파와 SPP 사이의 운동량 불일치를 보여주는 SPP의 분산 곡선을 보여 준다. SP mode를 충족하기 위해서는 β가 파동 벡터 κ보다 커야 하므로 자유 공간에서 전파되는 광파의 운동량과 SPP의 운동량이 불일치하게 된다. 따라서 SPP를 여기시키기 위해서는 입사 광파의 운동량과 SPP의 운동량을 일치시켜야 한다. 그림 3(b)와 (c)에서 볼 수 있듯이 프리즘을 이용하여 입사광의 계면 도달 각도를 제어하거나 파장 이하 크기의 구조화된 모델을 사용하면 모멘텀 매칭에 기여할 수 있다^[5-7].
 

2. 색 재현율 향상

컬러 필터의 성능에서 의도된 색을 표현하는 색 재현율은 중요한 지표 중 하나이다. 플라즈모닉 컬러 필터(Plasmonic Color Filter, PCF)의 설계에서는 이를 위하여 구조체의 모양, 크기, 굴절률 등을 적절하게 조절함으로써 원하는 파장대에서의 peak만을 극대화시키고 원치 않는 파장대에서 발생하는 노이즈를 억제하는 것이 중요 연구 과제이다.

S. W. Lee et al.은 홀 패턴(H-PCF)과 닷 패턴(D-PCF)의 투과 및 반사 특성을 이용하여 색 순도를 향상시키는 연구 결과가 발표되었다. 컬러 필터에서는 그림 4(b)와 같이 낮은 파장 대역에서 secondary peak가 발생하여 색 순도를 저하시키는 현상이 관측되며, AR(Area of the hole/Area of the lattice)을 낮춰가며 secondary peak를 저감시키면 원래의 peak 파장의 투과율의 저하도 동반되는 문제가 있다. 소개된 연구에서는 Red 대역 컬러 필터를 홀 패턴 대신 상보적 구조인 도트 패턴으로 재구성하여 secondary peak를 효과적으로 억제하였고, 이를 홀 패턴의 Green 및 Blue PCF와 결합하여 높은 색 순도의 RGB PCF를 구현하였다.

높은 색 순도를 목적으로 하기 위해서 반사형 기반의 PCF는 높은 성능을 보인다. M. Song et al.은 금속으로 이루어진 반사형 구조의 편광 특성을 이용한 높은 색 순도의 PCF를 구현했다. 그림 5는 PSG (plasmonic shallow grating) 구조가 갖는 특정 파장에서 원형 편광 빛을 원래의 편광 상태로 되돌리는 광자 스핀 복원 특성을 이용하여 색상을 생성하는 방식을 이용한다. Ag 격자 구조로 구성되어 있으며 너비 ω=0.55×ρ와 높이 h=30nm로 설계되었다. 그림4(a)에서 시뮬레이션과 실험에서 격자 구조의 주기 p의 변화에 따라 반사 피크가 이동하는 것을 보인다. 이는 CIE 색 좌표계에서 주기의 변화에 따라 색 좌표계의 바깥 영역을 따라 이동하며 높은 색 재현율의 풀-컬러 구현이 가능함을 보인다.
 

그림 4. 색 재현율 개선을 위한 상보적 설계. 기존의 홀 패턴과 닷 패턴 PCF (a) 모식도, (b) 투과율 그리고 (c) 색 좌표계 표현.[^8]

 

3. 공간 해상도 향상을 위한 스케일 다운

최근 augmented reality(AR), virtual reality(VR), 홀로그래픽 디스플레이, 초소형 이미지 센서 등의 분야에서 초소형 픽셀에 대한 수요가 급증하고 있으며, 픽셀의 집적화 기술이 발전함에 따라 디스플레이 픽셀 또는 이미지 센서의 픽셀 크기에 대응되는 필터의 크기가 요구된다.

나노 구조체 컬러필터는 회절 한계를 극복하여 파장 이하의 스케일에서 구현 가능하기 때문에 기존의 안료나 염료 방식에 비해 더 높은 공간 분해능을 가능하게 한다. 그러나, 나노 구조체 컬러 필터의 공진 모드를 위해서는 대부분 나노스케일 구조의 주기적 배열이 필요하다. 즉 여러 개의 나노 구조체가 배열되어 있어야 하나의 컬러를 표현할 수 있다는 뜻이며 이는 픽셀의 소형화를 방해하는 요소로 작용한다.

이러한 한계를 다양한 방법으로 극복하고 제한된 물리적 공간에 최대한 많은 컬러 필터 픽셀을 집적화하기 위한 연구 결과들이 보고되기 시작했다.

T. Xu et Al. 은 금속-유전체-금속 격자 구조로 구성된 표면 플라즈몬 기반의 컬러 필터의 높은 공간 해상도와 분광 이미지를 구현한 연구 결과를 발표했다. 주기적 배열의 격자 구조 컬러 특성과 슬릿의 개수에 따른 의존성을 소개한다. 그림 6(a)는 Al-ZnSe-Al이 순서대로 쌓아 올려진 격자 무늬의 나노 공진기 구조와 TM 모드와 TE 모드에서 계산된 RGB 구조의 투과율 스펙트럼이다.

와이어 그리드 형태의 주기적인 배열이기 때문에 TM 모드에서는 RGB 각 파장을 투과하는 반면 TE 모드에서는 대부분 반사하기 때문에 필터의 특성이 관측되지 않는다. 그림 6(b)는 컬러 효과를 유도하기 위해 요구되는 슬릿의 개수를 시뮬레이션으로 계산한 결과로 red와 green 구조의 슬릿 개수를 2, 4, 6개에서 수행되었다. 6개의 슬릿 구조에서는 그림 6(a)의 투과율 스펙트럼과 동일하게 동작되는 결과를 보인다. 슬릿의 개수가 4개, 2개로 줄어들면서 투과율이 저하되고 투과대역 이외의 반사대역의 차단이 이루어지지 않아 필터의 성능이 급격히 떨어지는 것을 보인다.

따라서 이 연구 결과에서 주기성을 충족하기 위해 최소한 약 6개 정도의 구조가 요구됨을 보인다. 그림 6(c)에서는 슬릿 사이의 간격을 의도적으로 조정하여 1차원과, 2차원에서 제작된 다중 대역 분광 이미지를 보인다. 컬러를 표현 가능하게 하는 슬릿 개수에 따른 주기성을 고려하여 안쪽 링의 반지름은 3 μm, 바깥 쪽 링의 반지름은 6 μm로 구현하여 96개의 슬릿을 이용하여 분광 이미지를 관측했다.

그림 7. 고분해능 플라즈모닉 컬러 필터. (a) 필터 모식도와 단면 전자장 해석, (b) 개별 필터와 superpixel, (b) 개별 필터의 독립 동작 특성 ^[11]

 

D. Fleischman et Al.은 공간 분해능과 스펙트럼 분해능 간의 균형을 목표로 하는 새로운 방법론에 대한 연구 결과를 보고했다. 거울 역할을 하는 Ag 캐비티 구조 내부가 SiO2로 증착되어 있는 형태로 inverse 디자인 기법으로 구조의 최적화가 수행되었다. 그림 7(a)는 제안된 서브 파장 크기의 캐비티 구조의 모식도이며 다중 공진 모드에 의해 컬러 필터가 구동된다. 다중 공진 모드를 구성하는 gap mode, cavity mode, SPP mode 각각의 electric field 세기 분포에서 개별의 단위 filter 구조가 컬러 필터로 구동 가능함을 보인다.

이는 그림 7(b)와 같이 개별 square 필터와 이들로 구성된 다중 분광 super pixel의 구현을 가능하게 한다. super pixel 집적화에서 발생하는 광학 크로스톡 노이즈를 차단하기 위해 필터 사이의 공간을 금속 매질로 채우는 구조적 특징이 있다. 그림 6(c)는 개별 square filter가 단일과로 구성되었을 때의 투과율 스펙트럼으로 단일 구조임에도 불구하고 컬러 필터의 응답 특성이 관측되었다.

구조에서는 이 보다 더 높은 투과 효율을 보임으로써 개별 필터의 개수와 투과 효율이 비례함을 보였다. 또한 서로 다른 금속 거울 사이의 거리에 의해 발생하는 광학 크로스톡의 영향을 분석한 결과에서 두 개별 필터 사이의 거리가 증가함에 따라 크로스톡이 차단되어 각 필터의 고유 응답 특성이 관측됨을 보인다.
 

 

한편 각 색깔별로 모두 같은 재료를 사용한다는 나노구조체 컬러 필터의 특성은 동적인 응용으로의 가치가 있다. 컬러에 따라 서로 다른 재료를 이용하여 동적인 응용이 어려운 염료 기반 컬러 필터와는 달리 나노구조체 컬러 필터의 출력 특성은 구조체의 주기, 크기 혹은 주변의 굴절률에 의해 결정되므로, 이미 만들어진 구조체의 크기 혹은 굴절률을 능동적으로 변화시킴으로 출력 특성을 변화시킬 수 있는 것이다.
 

대표적인 동적 컬러 필터 방식으로는 편광을 이용한 방식이 있다. 비대칭적인 모양을 가진 구조체를 사용함으로서, 입사광의 선형 편광 방향에 따라 구조체의 유효 크기가 변화되고, 이에 따라 출력 파장을 변화시키거나 온-오프 특성을 나타낸다. 이를 위하여 타원형 홀 패턴을 이용하여 편광에 따라 컬러 특성을 서서히 변화시키거나, 열십자(十)또는 별표(*) 모양의 캐비티를 이용하여 플라즈몬 공진 주기를 편광 각도에 따라 두 가지 혹은 세 가지로 다르게 하는 기법 등, 다양한 형태의 구조체로 편광에 따라 컬러를 제어하는 연구들이 발표되었다.

또 다른 기법으로는 전계에 의존적인 방식의 동적 컬러 필터가 있다. 이러한 방식의 컬러 필터는 필터에 전계를 가함으로써 다양한 방식으로 구조체의 파라미터를 능동적으로 변화시킬 수 있게 설계되는데, 대표적으로 액정(Liquid Crystal, LC)를 이용하는 컬러 필터가 있다. 다층으로 구성된 나노구조체 컬러 필터에LC 레이어를 포함시키는 것으로 LC에 전계를 걸면 구조체 주변의 굴절률 특성이 변화하므로 출력 파장이 변화하는 것이다^{[15, 16]}.

한편 전기 증착의 원리를 이용하여 구조체의 크기를 능동적 으로 변화시키는 기법도 소개되었다. 반사형의 금속 구조체 주 변을 금속 이온이 포함된 전해질로 채워, 전계에 따라 금속 이온이 구조체에 증착되어 구조체의 크기를 변화시키는 것이다 ^[18]. G. Wang et al. 은 이러한 반사형 능동 컬러 필터를 이용하여 발광 디스플레이 없이 주변의 색을 감지하고 색을 바꾸는‘기계적 카멜레온’을 제작하였다.

그 외에도 산화-환원 반응을 이용하여 금속 구조체의 플라즈모닉 특성을 온-오프 시키거나^[19], 전기변색 폴리머를 이용하 는 등[20] 다양한 방식이 연구되고 있으며, 그 방식에 따라 다양한 분야에 응용이 가능하다.

 

4. 동적 컬러 필터 응용
 

그림 10. 알루미늄 구조체와 LC로 구성된 동적 컬러 필터. (a) 전계 off 상태 및 (b) 전계 on 상태의 모식도. (c) 구조체 주기가 300nm일 때와  (d) 400nm일 때 전계에 따른 투과율 스펙트럼. (e) 각 주기 및 전계에 따라 실험적으로 관측된 컬러 이미지 ^[14]
 

5. 결론

광학 기기의 고도화, 집적화에 따라 여러 응용 분야에서 나노구조체 컬러 필터의 수요는 점점 커질 전망이다. 상술한 연구들이 진행됨에 따라 구조색 필터들은 점차 색재현율이 높아지고 고집적화가 가능해지며, 능동적 동작 등 고기능성을 갖추고 있다. 정밀한 나노 패터닝 공정 비용 문제와 서브 마이크로미터 스케일에서의 색 순도 유지 등의 문제를 극복하면, CMOS 센서나 홀로그래픽 디스플레이 등 고집적화가 필요한 광학 기기 분야에서부터 기존의 염료 기반 컬러 필터를 대체할 것으로 보인다.

이외에도 장시간 사용의 관점에서 유리한 내구성, 내화학성을가졌으며 화학적 염료 방식에 비해 환경 친화적으로 제작될 여지 또한 있다는 점에서 위조 방지 라벨, 태양광 에너지 흡수체,표면 데코레이션 등 다양한 방면에서의 응용이 가능하다.

특히 동적 컬러 필터 등 고기능성을 탑재함으로서 이른바 ‘전자 종이’라 불리는 비발광형 풀 컬러 디스플레이로서의 응용뿐 아니라 정보 인코딩, 편광 현미경, 광학 데이터 스토리지 등 폭넓은 분야로의 활용이 기대된다.

 

6. 참고문헌

[1] T. Starkey, and P. Vukusic, “Light manipulation principles in biological photonic systems”, Nanophotonics-Berlin 2, 289-307 (2013).
[2] T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. F. Ghaemi, T. Thio, and P. A. Wolff, “Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays”, 
Nature 391, 667-669(1998).
[3] J. X. Zhang, L. D. Zhang, and W. Xu, “Surface plasmon polaritons: physics and applications”, J Phys D Appl Phys 45 (2012).
[4] W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, “Surface plasmon subwavelength optics”, Nature 424, 824-830 (2003).
[5] P. Arora, E. Talker, N. Mazurski, and U. Levy, “Dispersion engineering with plasmonic nano structures for enhanced surface plasmon resonance 
sensing”, Sci Rep-Uk 8 (2018).
[6] H. S. Leong, J. P. Guo, R. G. Lindquist, and Q. H. Liu, “Surface plasmon resonance in nanostructured metal films under the Kretschmann configuration”, 
J Appl Phys 106 (2009).
[7] J. J. Foley, H. Harutyunyan, D. Rosenmann, R. Divan, G. P. Wiederrecht, and S. K. Gray, “When are Surface Plasmon Polaritons Excited in the Kretschmann-
Raether Configuration?”, Sci Rep-Uk 5 (2015).
[8] S. U. Lee, and B. K. Ju, “Wide-gamut plasmonic color filters using a complementary design method”, Sci Rep- Uk 7 (2017).
[9] M. W. Song, X. Li, M. B. Pu, Y. H. Guo, K. P. Liu, H. L. Yu, X. L. Ma, and X. G. Luo, “Color display and
encryption with a plasmonic polarizing metamirror”, Nanophotonics-Berlin 7, 323-331 (2018).
[10] T. Xu, Y. K. Wu, X. G. Luo, and L. J. Guo, “Plasmonic nanoresonators for high-resolution colour filtering and
spectral imaging”, Nat Commun 1 (2010).
[11] D. Fleischman, K. T. Fountaine, C. R. Bukowsky, G. Tagliabue, L. A. Sweatlock, and H. A. Atwater,
“High Spectral Resolution Plasmonic Color Filters with Subwavelength Dimensions”, Acs Photonics 6, 332- 338 (2019).
[12] S. Ham, S. Park, S. W. Jang, J. Lee, B. K. Ju, and H. Kim, “Design of structural coloration for full-color highdefinition
computer-generated holograms”, Opt Express 30, 19839-19854 (2022).
[13] H. Yun, S. Y. Lee, K. Hong, J. Yeom, and B. Lee, “Plasmonic cavity-apertures as dynamic pixels for
the simultaneous control of colour and intensity”, Nat Commun 6 (2015).
[14] Z. W. Xie, J. H. Yang, V. Vashistha, W. Lee, and K. P. Chen, “Liquid-crystal tunable color filters based on
aluminum metasurfaces”, Opt Express 25, 30764-30770 (2017).
[15] Z. Nasehi, and N. Nozhat, “Liquid crystal based tunable plasmonic subtractive color filters”, Opt Commun 445,
96-100 (2019).
[16] M. Desouky, M. A. Salam, and M. A. Swillam, “Tunable Dielectric Metasurface Upon Using Nematic Liquid Crystals
for Color Filter Application”, Proc Spie 10928 (2019).
[17] G. P. Wang, X. C. Chen, S. Liu, C. P. Wong, and S. Chu, “Mechanical Chameleon through Dynamic Real Time-
Plasmonic Tuning”, Acs Nano 10, 1788-1794 (2016).
[18] A. Tsuboi, K. Nakamura, and N. Kobayashi, “A Localized Surface Plasmon Resonance-Based
Multicolor Electrochromic Device with Electrochemically Size-Controlled Silver Nanoparticles”, Adv Mater 25,
3197-3201 (2013).
[19] X. Y. Duan, S. Kamin, and N. Liu, “Dynamic plasmonic colour display”, Nat Commun 8 (2017).
[20] M. Shahabuddin, T. McDowell, C. E. Bonner, and N. Noginova, “Enhancement of Electrochromic Polymer
Switching in Plasmonic Nanostructured Environment”, Acs Appl Nano Mater 2, 1713-1719 (2019).