1인치에 화소 1만6900개…저전력·초고해상도 모노픽셀 디스플레이

KAIST 연구팀이 개발한 '재구성가능한 저전력 반사형 모노픽셀' 기술을 나타낸 인공지능(AI) 생성 이미지. KAIST 제공

국내 연구팀이 화소(픽셀) 하나가 색을 바꾸는 모노픽셀 소자를 저전력으로 구현하는 데 성공했다. 1인치당 화소가 1만6900개까지 들어갈 수 있어 증강현실(AR) 및 가상현실(VR)용 초고해상도 디스플레이 구현에 유망한 것으로 평가된다.

KAIST는 송영민 전기및전자공학부 교수팀이 정현호 광주과학기술원(GIST) 교수팀과 함께 적은 전력으로 색을 구현하는 '재구성가능한 저전력 반사형 모노픽셀(r-GT)'을 개발했다고 29일 밝혔다. 연구결과는 2월 28일(현지시간) 국제학술지 '라이트: 사이언스 & 어플리케이션스'에 공개됐다.

눈과 화면 사이의 거리가 매우 가까운 AR과 VR용 디스플레이는 해상도를 높이기 위해 좁은 공간 안에 화소의 밀도를 높여야 한다. 기존 디스플레이는 하나의 화소를 빨강·파랑·초록(RGB)으로 구분해 색을 만든다. 화소가 작아질수록 전력 소모가 커지고 방출되는 빛이 줄어들기 때문에 기술적 난도가 높다.

연구팀은 기존 해상도 한계를 뛰어넘기 위해 모노픽셀 구조에 주목했다. 모노픽셀은 화소 하나가 색을 바꾸는 형태로 같은 면적에 더 많은 화소를 구현할 수 있어 해상도가 높고 빛 손실도 줄어든다.

전기를 가하면 성질이 변하는 전도성 고분자인 '폴리아닐린(PANI)'이 핵심 소재로 사용됐다. 1V 이하의 낮은 전압에도 반응해 빛의 굴절률이 변하면서 다른 색을 표현한다. 빛을 여러 번 반사시켜 특정 색을 더 강하게 표현하는 공진 구조를 결합해 전력 효율을 높였다. 전기를 가하면 색이 바뀌고 한번 바뀐 색은 전기를 차단해도 일정시간 유지돼 전력 소모가 더 줄어든다.

r-GT는 화소 크기를 1.5마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만분의 1m)까지 줄일 수 있어 1인치당 최대 1만6900개의 화소를 배치해 초고해상도 디스플레이를 구현할 수 있다.

가로세로 5개씩 배열한 모노픽셀 소자의 성능 확인 결과 색을 바꾸는 데 필요한 에너지는 일반 발광다이오드(LED) 대비 최대 5.8배 에너지 효율이 높다. 

아직 상용 디스플레이와 비슷하게 색을 안정적으로 표현할 수 있는 것은 아니다. 표준 색 영역(sRGB)의 약 절반 수준인 48.1%의 색을, 재료 조합을 다양화할 경우 69.9%까지 색 표현이 가능하다는 설명이다.

송 교수는 "전기를 아주 조금만 사용해도 색을 다양하게 바꿀 수 있도록 만든 것"이라며 "더 선명하고 전력 소모가 적은 초고해상도 디스플레이는 물론 다양한 광학 기술로도 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

<참고 자료>

- doi.org/10.1038/s41377-026-02228-2

왼쪽부터 송영민 KAIST 전기및전자공학부 석좌교수, 정효은 석박사통합과정생. 위쪽 왼쪽부터 정현호 GIST 교수, 고주환 미국 MIT 연구원. KAIST 제공

[LINK] 동아사이언스 이병구 기자