0.00009와트 초저전력으로 풀 컬러 해상도 구현… 다양한 색 표현에 초고해상도까지

KAIST, 전기변색소재와 광 공진구조 결합한 ‘r-GT픽셀’ 개발
모노픽셀 구조로 더 많은 픽셀 구현… 해상도↑·전력↓ AR·VR 적용

KAIST가 개발한 '저전력 반사형 모노픽셀'을 AI로 생성한 이미지. KAIST 제공.

색을 유지할 때는 전력을 거의 쓰지 않으면서 픽셀(화소) 하나가 스스로 색을 바꿔 다양한 색을 표현하는 새로운 디스플레이 기술이 개발됐다.

증강현실(AR)·가상현실(VR)용 초고해상도 근접용 디스플레이를 비롯해 웨어러블 기기, 야외 정보 표시장치 등 에너지 효율이 중요한 다양한 분야에 쓰일 것으로 기대된다.

송영민(왼쪽) KAIST 석좌교수와 정효은(오른쪽) 석박사통합과정. KAIST 제공.

KAIST는 송영민(사진) 전기및전자공학부 교수 연구팀이 정현호 광주과학기술원(GIST) 교수팀과 함께 전기 변색 소재를 활용해 적은 전력으로 색을 구현하는 '재구성가능한 저전력 반사형 모노픽셀'(r-GT)을 개발했다고 29일 밝혔다.

기존 디스플레이는 하나의 픽셀을 빨강(R)·초록(G)·파랑(B)으로 구분해 색을 만든다. 보다 선명한 화면을 제공하기 위해서는 픽셀을 더 작게 구현해야 한다.

하지만 픽셀은 작아질수록 전력 소모가 커지고, 방출되는 빛이 줄어 AR·VR 기기처럼 눈 가까이에서 보는 디스플레이를 기술적으로 구현하기 쉽지 않다.

연구팀은 1볼트 이하 낮은 전압에서 반응하며 빛 굴절률 변화로 색이 달라지는 전도성 고분자 '폴리아닐린'(PANI)에 빛을 여러 번 반사시켜 특정색을 더 강하게 만드는 '공진 구조'를 결합해 r-GT 픽셀을 개발했다.

저전력 반사형 모노픽셀(r-GT)을 AI로 생성한 이미지. KAIST 제공.

r-GT 픽셀은 작은 빛 변화를 크게 증폭해 적은 전력으로 선명한 색 표현이 가능해 1㎠ 기준 약 0.00009와트 수준의 매우 적은 전력만으로 360도 중 220도 이상 범위를 색으로 표현할 수 있다.

특히 픽셀 하나가 스스로 색을 바꾸며 다양한 색을 표현하는 '모노픽셀' 구조를 적용해 기존 대비 같은 면적에 더 많은 픽셀을 구현, 해상도는 높이면서 빛 손실은 줄여 이전보다 선명한 화면을 구현했다.

실제, 픽셀 크기를 1.5마이크로미터 수준까지 줄여 최대 약 1만6900개 픽셀을 배치해 초고해상도 디스플레이를 구현할 수 있다.

또 단일 픽셀 구조만으로 표준 색 영역의 48.1% 수준의 색을 표현할 수 있으며, 재료 조합으로 다양화하면 70%까지 더 많은 색을 표현할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 가로·세로 5마이크로미터 크기로 모노픽셀을 제작해 성능 검증을 한 결과, 색을 바꾸는 데 필요한 에너지는 발광다이오드(LED) 대비 최대 5.8배 이상 적은 전력으로 색을 구현했다.

이 구조는 외부 빛을 반사해 화면을 표현하는 반사형 디스플레이로 주변 조명이 강할수록 오히려 더 잘 보였다.

송 교수는 "전기화학 소재와 광 공진구조를 결합해 초저전력으로 풀컬러 구현이 가능함을 보여준 사례"라며 "앞으로 디스플레이 구동방식과 결합하면 더 선명하고 전력 소모가 적은 초고해상도 디스플레이에 활용할 수 있다"고 말했다.

연구결과는 광학 분야 국제 학술지 '라이트:사이언스 앤드 애플리케이션스' 지난달 28일 온라인에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr