상전이 물질 기반 초고해상도 ㎛급 픽셀 구현
상전이 물질로, 3cm 크기 홀로그램 이미지 구현성공
공간 광 변조 장치(SLM) 구현 위한 핵심 기술, 동영상 도전
LED(光) 비추면 홀로그램 띄워... 빛 파장 가깝게 픽셀구현
국내 연구진이 상전이(相轉移1) 물질을 이용, 초고해상도 픽셀을 구현할 수 있는 차세대 홀로그램 개발에 성공했다. 이로써 향후 홀로그램 동영상 재생이 가능한 디스플레이 패널 구현이 가능할 전망이다.
ETRI(한국전자통신연구원)는 1마이크로미터(㎛) 픽셀에 가로 세로 3센치미터(cm) 크기 홀로그램 영상을 상전이 물질을 이용해 구현, 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 1월 24일자 게재 2되었다고 2일 밝혔다.
본 연구결과에 사용된 상전이 물질은 최근 재조명받고 있는 칼코게나이드계 화합물인‘게르마늄 안티몬 텔룰라이드’(Ge2Sb2Te5, GST3 )이다. 그동안 DVD나 상전이 메모리 소자(PRAM4 ) 등에 응용된 바 있다.
현재 홀로그램 영상 표시는 액정을 이용한 공간 광변조기 방식이 주로 쓰인다. 액정에 전압을 걸어 빛의 위상, 편광을 효과적으로 변경해 홀로그램 영상을 만들어 낸다.
하지만 액정 소자는 홀로그램 영상의 화질과 시야각을 높이기 위해 필요한 마이크로미터(㎛) 수준의 픽셀크기5 를 만들어 내는데 한계가 있어 왔다.
ETRI는 이런 문제점을 해결하기 위해 반도체 메모리 소자로 연구되었던 상전이 물질(GST)을 이용했다. 상전이 물질은 비정질 상태와 결정질 상태를 가질 수 있으며 이에 따라서 투과율과 굴절률이 변하는 물질이다.
따라서 마이크로미터(㎛) 수준 이하의 픽셀크기로 만들 수 있으면서 빛의 위상 조절이 가능해 홀로그램 영상을 만들 수 있다. 본 결과는 기존 액정을 이용한 방법보다 약 1/4 가량 픽셀을 작게6 만들면서 빛의 파장에 가까운 픽셀 크기를 구현했다는 데 그 의미가 크다.
연구진은 상전이 물질을 이용한 홀로그램 소자로 양쪽에 인듐 주석 산화물(ITO)을 이용하고 사이에 반도체 물질인 GST를 적층했다. 이처럼 복층 박막 구조를 사용, 상전이 물질층의 두께를 유지하면서 투명전극 층의 두께를 조절, 특정 색상에서 위상변조를 극대화할 수 있는 소자를 만들었다.
ETRI는 이런 방법으로 별도의 컬러 필터 공정 없이 박막 두께를 조절함으로써 투명 전극층의 두께에 따라 다양한 색상의 홀로그램 이미지 생성을 가능토록 만들었다.
특히, 본 연구결과에 사용된 물질인 상전이 물질은 수십 내지 수백 나노미터(㎚) 크기의 집적 공정이 가능함이 검증된 물질이다.
본 연구결과에서도 레이저를 이용한 상전이를 통해 1마이크로미터(㎛) 수준의 픽셀로 구성된 3센티미터(cm) 크기의 홀로그램을 제작했다.
이렇게 높아진 해상도 때문에 보통의 LED 빛만으로도 홀로그램 영상이 뚜렷하게 나타날 수 있게 되었다. 실제 개발한 시제품에서는 스마트폰의 손전등(LED)을 비추자 체크무늬 바탕에‘나노(NANO)’라는 녹색 글씨가 홀로그램 영상으로 띄워져 보였다.
또한 박막두께를 조절해 파장이 긴 것만 골라 반사시키면 빨강색도 만들 수 있게 된다. 물론 다양한 색상 표현이 가능하다.
ETRI는 홀로그램 디스플레이를 위한 공간 광 변조 장치를 개발하는데 있어서 가장 큰 화두이자 걸림돌 중 하나인 1마이크로미터(㎛)이하의 초소형 픽셀 구현이 가능함을 밝힌 셈이다.
연구진은 이를 검증하기 위하여 상전이 물질 박막을 기반으로 하는 단위 픽셀을 제작했다. 1㎛ x 4㎛ 수준으로 광 변조 영역이 설계된 단위 픽셀 구조에 전기 신호를 줬을 때, 상전이 물질 기반 복층 구조의 광학적 특성이 변화하는 것을 성공적으로 관측했다.
연구진은 향후 상전이 물질을 기반으로 2년내 패널형태로 제작하여 디지털 홀로그램 영상을 구현할 계획이다. 이를 통해 동영상 구현과 플렉시블 홀로그램 디스플레이 패널 등에도 적용할 계획이다.
ETRI 황치선 실감디스플레이연구그룹장은“현 수준의 연구결과는 상전이 물질을 이용, 정지상 홀로그램 이미지를 구현하는 수준이나, 지속적인 연구를 통해 동영상 재생이 가능한 차세대 광 변조장치를 개발할 예정이다”고 밝혔다.
이번 논문의 제1저자는 ETRI 연구원 출신인 경북대 이승열 교수이고 ETRI에선 김용해 박사, 황치선 그룹장 등이 참여했다. 본 연구는 미래창조과학부“기가코리아 사업단”의 지원으로 개발되었다.
한편, ETRI는 지난 2015년말 360도에서 볼 수 있는 테이블탑형 홀로그램 디스플레이 개발에 성공한 바 있다. ETRI가 지난 2000년 이후 출원한 홀로그램 관련 총 특허수는 지난해 말 기준 약 100여건으로 국내 최고 수준이다.
References
1 온도, 압력, 조성 등과 같은 조건변화에 의하여 어떤 상에서 다른 상으로 변화하는 현상
2 http://www.nature.com/articles/srep41152 IF(Impact Factor 5.578), 1월 24일 온라인 게재
3 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 텔루늄(Te)이 결합된 화합물
4 Phase-change RAM, 기존 실리콘 대신 비휘발성 상(相)변화물질을 이용한 비휘발성 반도체. P램이란 물질의 상(Phase, 相) 변화를 이용해 데이터를 저장하는 메모리 반도체로, 상이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화될 때 1비트의 데이터를 저장할 수 있다.
5 픽셀피치를 의미함. 모니터의 대각선 길이(mm) ÷ 모니터 대각선의 픽셀수
6 현재 홀로그램 영상을 표시하는 공간광변조기로 주로 사용되는 것은 엘코스(LCoS)로 픽셀의 크기가 3.8㎛ 인데 ETRI는 픽셀크기를 1㎛로 줄임
[참고자료]
(a) 상전이 물질 박막을 통해 형성된 홀로그램 이미지.
(b) 홀로그램 이미지 형성을 위한 상전이 물질 박막에 새겨진 회절 패턴
(c) 전기 신호를 이용한 상전이 물질 박막의 광 변조 관측 결과
본 연구결과에서 사용된 상전이 물질은 최근 재조명받고 있는 칼코게나이드계 화합물인 Ge2Sb2Te5(GST)로, 이전부터 DVD와 같은 광학 저장장치 및 상전이 메모리 소자(PRAM) 등에 응용된 바 있는 물질이다. 이 물질은 온도에 따라 비정질(amorphous)과 결정질(crystalline) 상태 간의 상전이가 일어나는데, 그 상태에 따라 전기 전도도 및 광학적 성질이 크게 변화하는 특성을 지니고 있다. DVD는 이 물질의 상전이에 따른 반사율의 변화를 측정하여 광학 저장장치로 응용한 예라 할 수 있다.
현재 홀로그램 영상을 표시하는 공간광변조기로 주로 사용되는 것은 엘코스 (LCoS) 이다. 하지만 액정을 이용한 엘코스는 픽셀피치를 줄이는 데 한계가 있어서, 홀로그램 영상을 볼 수 있는 시야각이 좁다는 문제점이 있다. 픽셀피치 1μm 급 공간광변조기를 만들기 위하여 다양한 재료를 이용한 시도가 이루어지고 있다.
하지만 일반적인 GST 박막의 상전이에 따른 반사율의 변화로는 홀로그램 이미지를 육안으로 관측할 수 있는 수준의 광 회절 현상을 만들어 내는 것이 매우 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ETRI는 인듐 주석 산화물(ITO)과 GST가 적층된 복층 박막 구조를 설계하였고, 복층 박막 내에 삽입된 GST층의 상전이를 이용하여 시중에 판매되는 LED 광원으로도 선명한 홀로그램 이미지를 관측하는데 성공하였다.
따라서 홀로그램 디스플레이를 위한 공간 광 변조 장치를 개발하는데 있어서 가장 큰 화두이자 걸림돌 중에 하나인 초소형 픽셀 구현이 가능하다는 잠재력을 지니고 있다. 그러나 제안된 GST 박막 구조를 이용한 공간 광 변조 장치가 구현되려면, 기존의 디스플레이 패널들과 같이 전기 신호의 인가를 통해 GST의 광 변조가 가능한가를 검증할 필요가 있었다.
연구진은 이를 검증하기 위해 GST박막을 기반으로 하는 단위 픽셀을 제작했다. 1㎛ x 4㎛ 수준으로 광 변조 영역이 설계된 단위 픽셀 구조에 전기 신호를 줬을 때, GST기반 복층 구조의 광학적 특성이 변화하는 것을 성공적으로 관측했다. 본 연구를 바탕으로 ETRI는 향후 능동 픽셀들의 배열 구조를 설계 및 구동, 본격적으로 초고해상도 공간 광 변조 장치를 개발할 예정이다.
