초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 공동 연구는 인공 신경망을 활용하여 극고선명의 디스플레이용 메타표면 컬러필터를 개발하는 것을 목표로 함. 궁극적으로 색효율 90% 이상, 제작된 광학 구조체의 스펙트럼 오차율 5% 미만을 갖는 디스플레이용 메타표면 컬러필터를 개발하여 차세대 초박막 디스플레이 광학 기술의 초석을 다짐.

○ 전체 내용
● 딥러닝을 이용한 고선명 디스플레이 구현을 위한 컬러 필터 설계
딥러닝의 목적 함수인 오차 함수 개발을 통해 블루 파장대에서 최적화된 유전체 기반의 가시광선

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 공동 연구는 인공 신경망을 활용하여 극고선명의 디스플레이용 메타표면 컬러필터를 개발하는 것을 목표로 함. 궁극적으로 색효율 90% 이상, 제작된 광학 구조체의 스펙트럼 오차율 5% 미만을 갖는 디스플레이용 메타표면 컬러필터를 개발하여 차세대 초박막 디스플레이 광학 기술의 초석을 다짐.

○ 전체 내용
● 딥러닝을 이용한 고선명 디스플레이 구현을 위한 컬러 필터 설계
딥러닝의 목적 함수인 오차 함수 개발을 통해 블루 파장대에서 최적화된 유전체 기반의 가시광선 전 영역에서 작동하는 고해상도, 고대비, 고효율 컬러필터용 메타표면을 설계함. 컬러 필터 설계를 위하여 인공 신경망 네트워크가 제안하고, 특히 블루 파장 영역(450-485nm) 부근에서 가중치화하여 네트워크를 학습함. 가중치 파라미터 연구를 통해 파란색 파장에서 최적화된 구조체를 설계할 수 있는 네트워크를 개발함. 딥러닝을 통해 역설계된 구조 파라미터 변수는 Finite-difference time-domain simulation을 통해 계산하며, 계산된 광특성은 딥러닝에 사용된 인풋 타겟 광특성과 비교하여 수치적으로 검증함.
● 메타표면 컬러필터 제작 및 광특성 측정
딥러닝을 통해 설계된 구조체는 높은 정밀도의 나노 공정을 통해 제작하고, 제작된 컬러 필터의 성능을 제시한 평가 기준에 따라 수치적으로 검증하고자 함. 3차원 나노 공정 기술을 기반으로, 전자빔 리소그래피 공정을 통해 10nm 공정 오차를 목표로 제작함. 제작된 컬러필터의 구조색 측정 및 반사율 측정을 통해 통합적 평가를 하고자 함. 측정된 컬러필터의 광학적 특성은 데이터베이스화하고자 함.

○ 1년차
● 목표
딥러닝 설계 방법을 사용하여 유전체 기반의 가시광선 전 역역 고해상도, 고대비, 고효율 컬러필터용 메타표면을 설계함. 특히 유전체 물질들이 갖는 본질적 손실 특성으로 인해 블루파장대의 선명한 색을 구현하기가 어려웠던 문제점을 인공신경망과 오차함수 개발을 통해 활용해 극복함.
● 내용
(1) 딥러닝 기반 가시광 영역 흡수체 역설계 연구
딥러닝을 활용하여 전 가시광 영역에서 원하는 흡수 특성을 갖는 MIM(metal-insulator-metal) 기반 나노구조체의 역설계기법에 대한 연구를 수행함. 본 연구에서는 기존 단일 파장 접근과는 달리 여러 공진 파장에서의 매우 높은 효율의 흡수 특성을 갖도록 성능 범위를 확장시키고 공정을 통해 설계 성능을 검증함. 역설계 인공신경망 평가 결과 평균제곱오차 0.023이하의 높은 정확도 학습 결과를 얻었으며 이를 바탕으로 제작된 샘플 또한 입력 목표 광특성을 보이는 것을 실험적으로 확인함.
(2) 역방향 2차 고조파 발생(Second-Harmonic Generation, SHG) 메타표면 다층구조 연구
원하는 형태의 비선형 광학 반응을 형성하는 3차원 메타물질을 설계할 수 있음을 계산과 실험을 통해 구현했으며 그 중에서도 도전적으로 여겨지는 역방향 고조파 발생을 성공시킴. 2차 고조파 발생은 일부 파장만을 이용하는 기존의 컬러필터 설계방식을 벗어나 두 개의 파장을 모두 이용할 수 있는 플랫폼 구현에 기여할 수 있음. 특히 본 연구팀이 선보인 역방향 비선형광학반응의 효과는 다양한 색의 빛을 여러 방향에서 볼 수 있는 새로운 형태의 디바이스 개발에 일조할 것으로 여겨짐.

○ 2년차
● 목표
설계된 컬러필터 구조 및 물질 정보에 나노공정기술을 적용하여 공정 오차 10nm 미만의 정밀한 컬러필터를 제작함. 색효율 90%를 넘는 고효율의 컬러필터를 제작해 실제 성능을 실험적으로 검증하고자 함.
● 내용
(3) 전기적 신호로 스위칭 가능한 고선명 다이내믹 메타표면 컬러필터 개발
고효율의 구조색 구현을 위해 유전체 기반 메타표면에 액정을 결합해 전기적으로 변조가 가능한 초박막, 고선명, 고화질의 컬러필터 픽셀을 개발함. 미-공진기(Mie-resonator) 역할을 하도록 설계된 메타아톰들을 주기적으로 배열하여 가시광의 집속과 quasi- guided mode resonance 효과를 통해 반사효율을 크게 증가 시킴. 기존의 컬러필터 메타표면이 구현하지 못하는 완벽한 픽셀의 “on/off” 상태를 구현하면서도 구현가능한 색역을 크게 넓혀 매우 선명한 픽셀을 제작함. 측정결과 색효율 90%를 넘은 결과를 얻었으며 해상도 5nm 성능을 갖는 전자빔리소그래피로 나노구조체를 제작하여 본 과제 목표를 달성함.

□ 연구개발성과
- 디스플레이 광학기술의 원천 기술 확보
딥러닝 기반 색 재현 오차율 10% 미만 구조체 설계를 목표로 고선명 구조색 구현 디자인 플랫폼을 구축하고자 한다. 연구논문 출판, 관련 특허 출원을 예상하고 있으며 컬러필터를 비롯하여 홀로그램, AR,VR 디스플레이와 같은 평면 광학의 핵심기술로서의 기반을 다지고자 한다.
- 국제 협업 및 인력 양성
프랑스 협력팀과의 주기적인 인적 교류를 통해 양국 연구자간의 긴밀한 협력 네트워크를 구축하고 과학기술의 공동발전을 도모하였다. 세계적 연구그룹인 CNRS와의 공동 연구경험은 본 연구팀의 참여연구원들의 개인적인 연구 역량을 고취시켜 교육적인 효과를 가질 수 있을 것으로 예상된다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
본 연구를 통해 개발되는 극고선명 디스플레이용 컬러필터 메타표면은 기존의 burn-in 문제로부터 자유로우면서 색순도, 내구성, 효율 등 다양한 면에서 우수한 성능을 나타낼 수 있으므로 차세대 디스플레이 기술에 기반을 제공할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 이러한 메타 표면 광학 소자는 나노 수준의 집속이 가능하기 때문에 높은 DPI를 갖는 컬러 필터 픽셀 개발이 가능할 것이다. 특히 저파장에 특화되어 설계되므로 기존 메타표면을 이용한 컬러필터의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 한-프랑스 협력 연구로, 공동 연구를 통해 이루어지는 양국간 활발한 연구 교류 경험은 참여연구원의 개인적인 연구 역량을 고취시켜 교육적인 효과를 가져올 뿐만 아니라, 양국 연구자 간의 긴밀한 협력 네트워크를 구축하고 과학기술의 공동 발전을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 1) 연구개발의 목적 ... 6
• 2) 연구개발의 필요성 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 1) 연구수행 내용 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 8
• 1) 연구수행 결과 ... 8
• 2) 목표 달성 수준 ... 49
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 49
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 49
• 2) 자체 보완활동 ... 49
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 49
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 49
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 50
• 끝페이지 ... 51