해상도는 높이고, 전력은 거의 쓰지 않는 새로운 디스플레이 기술이 나왔다. 픽셀 하나가 스스로 색을 바꿔 다양한 색을 표현하는 '모노픽셀' 구조를 구현, 배터리 부담 없이 더 선명한 증강·가상현실(AR·VR) 디스플레이를 만들 수 있는 길을 열었다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 송영민 전기 및 전자공학부 교수팀이 광주과학기술원(GIST)의 정현호 교수팀과 함께, 전기 변색 소재를 활용해 저전력으로 색을 구현하는 '재구성가능한 저전력 반사형 모노픽셀(r-GT)'을 개발했다고 29일 밝혔다.
디스플레이는 더 선명한 화면을 만들기 위해 픽셀을 점점 작게 만들고 있는데 픽셀이 작아질수록 전력 소모가 커지고, 빛이 줄어든다. 특히 AR·VR 기기처럼 눈 가까이에서 보는 디스플레이는 아주 작은 픽셀과 낮은 전력을 동시에 만족해야 해 구현이 어렵다.
r-GT 픽셀은 전기를 가하면 색이 바뀌고, 한 번 바뀐 색은 전기를 끄고도 일정 시간 유지된다. 즉, 색을 바꿀 때만 전력을 쓰는 구조다.
기술 핵심은 전기를 가하면 성질이 변하는 전도성 고분자 '폴리아닐린(PANI)'이다. 이 물질은 1V 이하 저전압에서도 반응하며, 빛의 성질(굴절률)이 변하면서 색이 달라진다.
여기에 빛을 여러 번 반사시켜 특정 색을 더 강하게 만드는 '공진 구조'를 결합했다. 이 구조는 작은 변화도 크게 증폭해, 저전력으로도 선명한 색 표현이 가능하도록 한다.
그 결과, 1cm² 기준 약 0.00009W 수준의 매우 적은 전력만으로도 색상환(360도) 중 절반 이상에 해당하는 범위를 표현할 수 있게 된 것이다.
또 하나의 중요한 특징은 모노픽셀 구조다. 기존 디스플레이는 하나의 픽셀을 빨강(R)·초록(G)·파랑(B)으로 나눠 색을 만들지만, 모노픽셀은 픽셀 하나 전체가 스스로 색을 바꾸며 다양한 색을 표현하는 방식이다. 이 방식은 픽셀을 나누지 않기 때문에 같은 면적에서 더 많은 픽셀을 구현할 수 있어 해상도가 높아지고, 빛 손실이 줄어 더 선명한 화면을 구현할 수 있다.
또한 PANI는 전압을 제거한 뒤에도 색 상태를 일정 시간 유지하는 특성을 가진다. 이 덕분에 색을 바꿀 때만 전력을 사용하고, 색을 유지할 때는 거의 전력이 필요 없는 '메모리-인-픽셀' 디스플레이 구현 가능성도 확인됐다.
연구팀은 이 기술을 통해 색을 넓은 범위(220.6도)로 변화시킬 수 있음을 확인했으며, 픽셀 크기도 1.5마이크로미터 수준까지 줄일 수 있음을 입증했다. 이는 최대 약 16900 PPI에 달하는, 눈으로 픽셀을 구분하기 어려운 수준의 초고해상도다.
또 단일 픽셀 구조만으로도 표준 색 영역(sRGB)의 약 절반 수준(48.1%)의 색을 표현할 수 있었으며, 재료 조합을 다양화할 경우 약 70% 수준(69.9%)까지 더 풍부한 색 표현이 가능함을 입증했다.
연구팀은 실제로 5×5 모노픽셀 배열을 제작해 성능을 검증했다. 이때 색을 바꾸는 데 필요한 에너지는 매우 작은 수준(2.31mJ)으로, 일반 LED 대비 최대 5.8배 이상 적은 전력으로도 색을 구현할 수 있음을 확인했다. 또 이 구조는 외부 빛을 반사해 화면을 표현하는 반사형 디스플레이로, 주변 조명이 강할수록 오히려 더 잘 보이는 장점도 확인됐다.
송영민 교수는 “이번 기술은 전기를 아주 조금만 사용해도 색을 다양하게 바꿀 수 있도록 만든 것”이라며, “앞으로 디스플레이 구동 방식과 결합하면, 더 선명하고 전력 소모가 적은 초고해상도 디스플레이는 물론 다양한 광학 기술로도 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 전기 및 전자공학부의 정효은 석사박사통합과정 학생이 공동 제1저자, 송영민 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 '라이트: 사이언스 앤드 애플리케이션스'에 2월 28일자 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
