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배터리 부담없이 초고해상도 AR·VR 구현 가능성 제시
해상도는 높이고, 전력은 거의 쓰지 않는 새로운 디스플레이 기술이 나왔다. 한국 연구진이 색을 유지할 때 전력을 거의 쓰지 않으면서, 픽셀 하나가 스스로 색을 바꿔 다양한 색을 표현하는 ‘모노픽셀(monopixel)’ 구조를 구현해, 배터리 부담 없이 더 선명한 AR·VR 디스플레이를 만들 수 있는 길을 열었다.
우리 대학은 전기및전자공학부 송영민 교수 연구팀이 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철) 정현호 교수팀과 함께, 전기를 이용해 색이 변하는 물질(전기 변색 소재)을 활용해 적은 전력으로 색을 구현하는 새로운 모노픽셀 기술인 ‘재구성가능한 저전력 반사형 모노픽셀(reconfigurable Gires–Tournois resonator, 이하 r-GT)’을 개발했다고 29일 밝혔다.
디스플레이는 더 선명한 화면을 만들기 위해 픽셀을 점점 작게 만들고 있다. 하지만 픽셀이 작아질수록 전력 소모가 커지고, 빛이 줄어드는 문제가 생긴다. 특히 AR·VR 기기처럼 눈 가까이에서 보는 디스플레이는 아주 작은 픽셀과 낮은 전력을 동시에 만족해야 해 구현이 어려운 기술로 꼽힌다.
연구팀이 개발한 r-GT 픽셀은 전기를 가하면 색이 바뀌고, 한 번 바뀐 색은 전기를 끄고도 일정 시간 유지된다. 즉, 색을 바꿀 때만 전력을 쓰고, 유지할 때는 거의 전력이 필요 없는 구조다.
이 기술의 핵심은 두 가지다. 먼저, 전기를 가하면 성질이 변하는 전도성 고분자 ‘폴리아닐린(polyaniline, PANI)’이다. 이 물질은 1볼트(V) 이하의 낮은 전압에서도 반응하며, 빛의 성질(굴절률)이 변하면서 색이 달라진다. 빛의 굴절률은 쉽게 말해 빛이 물질을 통과할 때 얼마나 꺾이는지를 나타내는 값으로, 이 값이 변하면 우리가 보는 색도 함께 변하게 된다.
여기에 빛을 여러 번 반사시켜 특정 색을 더 강하게 만드는 ‘공진 구조(resonator)’를 결합했다. 이 구조는 작은 변화도 크게 증폭해, 적은 전력으로도 선명한 색 표현이 가능하도록 한다.
그 결과, 초저전력(90 μW cm⁻²) 으로도 220°이상의 넓은 색상 변화를 구현했다. 쉽게 말하면, 1cm² 기준 약 0.00009W 수준의 매우 적은 전력만으로도 색상환(360°) 중 절반 이상에 해당하는 범위를 표현할 수 있게 된 것이다.
또 하나의 중요한 특징은 ‘모노픽셀(monopixel)’ 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(memory-in-pixel)’ 디스플레이 구현 가능성도 확인됐다.
연구팀은 이 기술을 통해 색을 넓은 범위(220.6°)로 변화시킬 수 있음을 확인했으며, 픽셀 크기도 1.5마이크로미터(μm) 수준까지 줄일 수 있음을 입증했다. 이는 최대 약 16,900 PPI에 달하는, 눈으로 픽셀을 구분하기 어려운 수준의 초고해상도를 의미한다.
또한 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(2.31 mJ)으로, 일반 LED 대비 최대 5.8배 이상 적은 전력으로도 색을 구현할 수 있음을 확인했다. 또한 이 구조는 외부 빛을 반사해 화면을 표현하는 반사형 디스플레이로, 주변 조명이 강할수록 오히려 더 잘 보이는 장점도 확인됐다.
이번 연구는 전기화학 소재와 광 공진 구조를 결합해 초저전력으로 풀컬러 구현이 가능함을 보여준 사례다. 향후 AR·VR용 초고해상도 근접형 디스플레이를 비롯해 웨어러블 기기, 야외 정보 표시 장치, 전자종이 등 에너지 효율이 중요한 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다. 또한 색을 유지하는 동안 전력 소모를 최소화할 수 있어, 지속 가능하고 에너지 효율적인 디스플레이 기술로 발전할 가능성도 제시했다.
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 전기및전자공학부 정효은 석사박사통합과정 학생이 공동 제1저자, 송영민 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 광학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘라이트: 사이언스 앤드 애플리케이션스(Light: Science & Applications, IF 23.4)`에 2월 28일자 온라인 게재됐다.
※ 논문명 : Sub-1-volt, reconfigurable Gires-Tournois resonators for full-coloured monopixel array, DOI : https://www.nature.com/articles/s41377-026-02228-2
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)이 지원하는 중견연구사업, 과학기술원 InnoCORE-GIST 사업, 나노 및 소재기술개발사업, 미래의료혁신대응기술개발사업, 해외우수연구기관협력허브구축사업, 산업통상자원부(MOTIE)와 한국산업기술기획평가원이 지원하는 바이오산업기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.03.30 조회수 2429 -
전력 없이도 여름은 더 시원하게 겨울을 더 따뜻하게 만든다
포플러(Populus alba)는 덥고 건조할 때 잎을 말아 뒷면을 드러내 태양빛을 반사하고, 밤에는 잎 표면에 맺힌 수분이 방출하는 열(잠열)로 냉해를 막는 독특한 생존 전략을 갖고 있다. 자연은 이처럼 낮·밤과 온·습도 변화에 따라 스스로 열을 조절해 적응해 왔지만, 이러한 정교한 열관리 시스템을 인공소재로 구현한 사례는 거의 없었다. 우리 대학 연구진은 이번 연구를 통해 포플러 잎의 열관리 전략을 모사한 인공소재를 개발함으로써, 건축 외벽·지붕·임시 보호소 등에서 전력 없이 스스로 온도를 조절하는 열관리 기술의 적용 가능성을 크게 높였다.
우리 대학은 전기및전자공학부 송영민 교수 연구팀이 서울대학교 김대형 교수팀과 공동으로, 포플러의 자연 열조절 방식을 모사한 ‘유연 하이드로겔 기반 열조절기(LRT, Latent-Radiative Thermostat)’를 개발했다고 18일 밝혔다.
연구팀이 개발한 LRT는 자연을 모사하고 스스로 냉·난방 전환하는 열조절 장치다. 이 기술은 수분의 증발·응축에 따른 잠열 조절과 빛 반사·투과를 이용한 복사열 조절을 하나의 장치에서 동시에 구현할 수 있는 새로운 열관리 기술이다.
핵심 소재는 리튬 이온(Li⁺)과 하이드록시프로필 셀룰로오스(HPC)를 PAAm 하이드로겔에 결합한 구조다. Li⁺는 주변의 수분을 흡수·응축해 잠열을 조절함으로써 따뜻함을 유지하고, HPC는 온도 변화에 따라 투명·불투명하게 변하며 태양빛의 반사·흡수를 조절해 냉각과 난방 모드를 전환한다.
온도가 올라가면 HPC 분자들이 뭉치면서 하이드로겔이 불투명해지고, 이로 인해 태양광이 반사되어 자연 냉각 효과가 강화된다. 이렇게 만들어진 LRT는 주변 온도·습도·조도에 따라 자동으로 네 가지 열조절 모드로 전환된다.
▶이슬점 이하의 밤·한랭 환경에서는 공기 중 수분을 흡수·응축하며 열을 방출해 따뜻함을 유지하고 ▶약한 태양광이 비치는 추운 낮에는 태양빛을 투과시키고 흡습된 수분이 근적외선을 흡수해 난방 효과를 내고 ▶ 고온·건조한 환경에서는 내부 수분이 증발하며 강력한 증발 냉각이 일어나고 ▶강한 태양과 고온 조건에서는 HPC가 불투명해져 태양빛을 반사하고, 동시에 증발 냉각이 작동해 온도를 낮춘다. 즉, 전력 없이도 주변 환경에 맞춰 스스로 냉·난방 모드를 전환하는 자연 모사형 열관리 장치다.
이번 연구를 통해 LRT는 여름에는 더 시원하게, 겨울에는 더 따뜻하게 유지할 수 있는 성능을 확보했다. 연구팀은 Li⁺와 HPC의 농도를 조절해 다양한 기후 조건에 맞게 열조절 특성을 세밀하게 조정할 수 있음을 확인했고, TiO₂ 나노입자를 추가해 소재의 내구성과 기계적 강도도 크게 향상시켰다.
실외 실험 결과, LRT는 기존 냉각 소재보다 여름에는 최대 3.7°C 더 낮고, 겨울에는 최대 3.5°C 더 높은 온도를 유지했다. 또한 7개 기후대(ASHRAE 기준)를 대상으로 한 시뮬레이션에서는 기존 지붕 코팅보다 연간 최대 153 MJ/m²의 에너지 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
이번 연구는 자연계의 고도화된 열관리 기능을 공학적으로 구현한 사례로, 건축 외벽·지붕, 재난 임시시설, 야외 저장소 등 전력 기반 냉난방이 어려운 환경에서 활용될 차세대 열관리 플랫폼으로 기대된다.
송영민 교수는 “이번 연구는 자연의 지능형 열조절 전략을 공학적으로 재현한 기술로, 계절과 기후 변화에 스스로 적응하는 열관리 장치를 제시했다는 데 의미가 있다”며 “향후 다양한 환경에 적용 가능한 지능형 열관리 플랫폼으로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 전기및전자공학부 김형래 박사과정 학생이 공동 제1저자, 송영민 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적인 학술지인 `어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF 26.8)'에 11월 4일자 온라인 게재됐다.
※ 논문명 : Hydrogel Thermostat Inspired by Photoprotective Foliage Using Latent and Radiative Heat Control, DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202516537
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 과학기술원 InnoCORE 사업, 중견연구사업, 나노 및 소재기술개발사업, 미래의료혁신 대응기술개발사업, 해외우수연구기관협력허브구축사업, 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원이 지원하는 바이오산업기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2025.11.18 조회수 3462