한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 장호성 박사 연구팀은 중심에 있는 코어 입자를 여러 층의 쉘이 둘러싼 다층 구조 형태인 코어@다중쉘 나노구조를 도입하고, 적외선 파장을 조절해 단일 입자에서 고색순도의 RGB 발광을 구현할 수 있는 상향변환 나노입자 기술을 개발했다. 

 발광 소재는 스스로 빛을 내는 재료로, TV, 태블릿, 모니터, 스마트폰 등 다양한 디스플레이 기기에 사용되어 우리가 다양한 이미지와 영상을 볼 수 있게 한다. 그러나 기존의 2차원 평면 디스플레이는 현실 세계의 3차원 입체감을 완전히 전달하기 어려워, 깊이감 표현에 한계가 있다. 영화 '아바타(Avatar)'는 3D 영상으로 큰 관심을 받았지만, 관객들은 입체감을 느끼기 위해 특수 안경을 착용해야만 했고, 이러한 불편함을 해소하기 위해 무안경 3D 디스플레이가 개발됐지만, 이는 시청자의 눈에 피로를 주는 단점이 있었다.

 이러한 문제를 해결하고자 3차원 체적 디스플레이(3D volumetric display) 기술이 연구되고 있다. 이는 3차원 공간에 입체적인 영상 정보를 구현하는 차세대 디스플레이 기술로, 이를 위해 적외선을 흡수하여 가시광선을 발광하는 상향변환 나노입자가 필요하다. 특히, 하나의 입자에서 빛의 삼원색인 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 모두 발광할 수 있는 나노입자가 필요하지만, 기존 소재는 하나의 입자에서 하나의 색만 발광하거나, R/G/B 발광이 가능하더라도 밝기가 약하거나 색순도가 낮아 색재현 범위가 제한적이었다.

 KIST 연구진은 코어와 쉘의 물질 조성을 제어해 각각 R/G/B 발광을 유도했으며, 세 가지 파장의 적외선을 적용해 각 파장에 따라 R/G/B 발광이 나타나도록 했다. 특히, 코어에서 녹색, 안쪽 쉘에서 적색, 바깥쪽 쉘에서 청색 발광이 나타나도록 설계해 단일 입자에서 높은 색순도와 강한 발광 강도의 R/G/B 발광을 구현했다. 연구진이 개발한 나노입자는 동시에 여러 파장의 적외선을 적용하면 다양한 색을 구현할 수 있으며, 이를 통해 NTSC 색공간의 94.2%, sRGB 색공간의 133%에 달하는 넓은 색재현 범위를 달성했다. 또한, 이 나노입자를 투명 고분자 복합체와 혼합해 다양한 컬러 이미지를 디스플레이함으로써 상향변환 나노입자를 이용한 3D 체적 디스플레이 구현 가능성을 제시했다.

 KIST 장호성 박사는 "적외선을 흡수해 고색재현 풀컬러 발광을 나타낼 수 있는 상향변환 나노입자는 진정한 3D 영상을 볼 수 있는 3D 체적 디스플레이의 상용화를 가능하게 할 것이며, 디스플레이 분야뿐만 아니라 위조와 변조를 막을 수 있는 보안용 소재로도 활용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 중견연구자지원사업(NRF-2022R1A2C2005943), 산업통상자원부(장관 안덕근)의 지원을 받아 알키미스트프로젝트(20193091010240) 및 소재부품기술개발사업(RS-2024-00433146)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Functional Materials」 (IF 18.5, JCR 분야 4.1%) 최신 호에 게재됐으며, Frontispiece로 선정됐다.

* (논문명) Multicolor Fine-Tunable Upconversion Luminescence from a Single Nanoparticle for Full-Color Displays with a Wide Color Gamut

[그림 1] 균일한 크기, 모양을 가지는 코어@다중쉘 상향변환 나노입자 합성

(좌) 코어@다중쉘 나노입자의 전자현미경 사진 (우) 코어@다중쉘 나노구조 모식도 및 확대한 나노입자 사진

[그림 2] 코어@다중쉘 상향변환 나노입자로부터 다양한 발광색 구현

(좌) 코어@다중쉘 상향변환 나노입자로부터 나타나는 R/G/B 발광을 통해 구현되는 색재현 범위와 NTSC 및 sRGB 색영역을 보여주는 색도도(chromaticity diagram)

(우) 합성된 코어@다중쉘 상향변환 나노입자가 분산된 용액에 세 가지 파장의 적외선 및 세 가지 파장을 조합한 적외선을 인가할 때 나타나는 발광 사진. 이로부터 본 연구를 통해 개발된 상향변환 나노입자로부터 다양한 발광색이 구현된다는 것을 알 수 있음.

[그림 3] 코어@다중쉘 상향변환 나노입자-고분자 복합체로부터 디스플레이된 컬러 이미지 사진

(좌측 상단) 코어@다중쉘 상향변환 나노입자를 polydimethylsiloxane(PDMS) 고분자에 분산하여 합성한 투명 고분자 복합체 사진

(우) 코어@다중쉘 상향변환 나노입자-PDMS 고분자 복합체에 적외선을 인가할 때 구현된 다양한 컬러 이미지 사진들. 적외선 광원과 상향변환 나노입자-고분자 복합체로부터 원하는 모양의 컬러 디스플레이 구현이 가능함을 보여주는 사진임.