공작새를 모방한 고해상도 디스플레이

공작새를 모방한 고해상도 디스플레이

공작 깃털의 광학 현상 이용

 

▲ 공작 깃털을 모방해 한계를 뛰어넘는 고해상도 디스플레이가 개발중에 있다 ⓒFreeImage

디지털 기기에 사용되는 디스플레이 해상도의 끝은 어디일까? 정도의 차이는 있겠지만 작은 화면에서의 해상도 경쟁은 그 한계가 있을 수밖에 없다는 것이 대다수 전문가들의 의견이다.

5인치 미만의 디스플레이일 경우 전문가들은 그 한계점을 Full HD(1920X1080)급 정도가 아닐까 예상하고 있다. 물론 지금의 Full HD 영상이 울트라 HD(7680X4320)급까지 가고 있어 상황에 따라서는 Full HD급 이상도 갈 수 있겠지만, 현재의 디스플레이 기술로는 무리라는 의견이 지배적이다.

그러나, 최근 미국의 과학자들이 공작을 모방하여 기존의 한계를 뛰어넘는 기발한 방식의 초 고해상도 컬러 디스플레이 기술을 개발하고 있다는 소식이 전해져 화제가 되고 있다.

공작 깃털의 광학 현상을 이용한 고해상도 디스플레이

광학기술 전문 매체인 포토닉스(photonics)는 온라인 판을 통해 미국 미시간대의 연구진이 공작 수컷(Peacock)의 화려한 깃털에서 나타는 광학 현상을 활용해 초고해상도 컬러 디스플레이 기술을 개발하는 데 성공했다고 최근 보도했다.

포토닉스의 보도에 따르면, 미시간대의 연구진은 화학성분보다는 깃털의 결에 의해서 만들어지는 구조색(structural color)을 재현하는 방법을 통해 공작이 갖고 있는 독특한 컬러 매커니즘을 구현할 수 있었고, 이를 기반으로 고해상도 반사형 컬러 디스플레이 스크린을 개발하였다.

▲ 공작 깃털이 갖고 있는 독특한 컬러 메커니즘 ⓒMichigan univ.

구조색이란 색소가 섞이지 않은 무색의 자연 물질임에도 불구하고 색깔을 나타내는 현상을 말한다. 색소에 의해 물들여진 색깔은 어느 방향에서 보더라도 항상 같은 색깔을 띠지만, 구조색은 보는 방향에 따라 색깔이 조금씩 다르게 보이는 것이 특징이다.

구조색은 일상생활에서도 흔히 접할 수 있다. CD의 뒷면이나 비눗방울에서 나타나는 무지갯빛 현상이 대표적인 사례이다. 자연에서는 공작새의 깃털이나 나비의 날개, 그리고 보석 등에서 구조색 현상을 볼 수 있다.

특히 공작 수컷의 깃털은 관찰자의 움직임에 따라 수백 가지의 경우로 색이 달라 보인다. 이런 구조색 현상은 깃털에 있는 정밀하게 배열된 섬세한 홈이 특정한 파장대의 빛을 반사함으로써 나타나는 것으로 밝혀졌다.

연구진이 주목한 것은 바로 이런 공작 깃털만이 가진 독특한 기능이다. 보는 각도에 따라 빛을 다르게 반사해 다양한 색을 나타내는 이 신기한 시스템을 흉내내기 위한 연구진의 노력이 차세대 고해상도 디스플레이를 개발하기 위한 선도적 접근방식의 단초가 된 것으로 알려졌다.

백라이트가 없어도 읽기가 가능한 디스플레이를 연구

이번 연구 프로젝트를 책임지고 있는 미시간대 컴퓨터사이언스과의 제이 구오(Jay Guo) 교수와 연구진은 이 같은 공작 깃털의 기능을 활용하여, 현재 완전히 새로운 형식의 '전자 잉크(e-ink)'나 '디스플레이'를 개발하려는 시도를 하고 있다.

이러한 시도가 성공적으로 이어져 새로운 개념의 전자잉크가 개발된다면 글자를 보이도록 해주는 디스플레이 자체의 백라이트가 없더라도 얼마든지 글을 읽을 수 있을 것으로 보여진다. 디스플레이 자체가 빛을 반사하기 때문이다.

기존의 LCD나 평면 디스플레이는 밝은 태양빛 아래서는 잘 안 보였지만 개발중인 고해상도 디스플레이는 빛을 반사하는 능력이 있어 오히려 반대로 더 잘 보이게 될 것이라는 게 연구진의 예상이다.

따라서, 주변의 광원만 있으면 별도의 백라이트 없이도 잘 볼 수 있는 디스플레이는 어두운 곳에서만 백라이트가 작동하기 때문에, 전력 소모도 획기적으로 감소시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.

▲ 올림픽 링의 디테일 이미지를 가진 작은 홈으로 이루어진 디스플레이 ⓒMichigan univ.

이처럼 획기적인 기능을 선보일 디스플레이의 원리로 미시간대 연구진은 "빛이 금속 나노 크기의 홈 속으로 들어갈 때 내부에서 빛을 포획하는 능력을 이용했다"고 밝혔다. 연구진은 "이런 접근방식을 이용함으로써 반사된 색조가 관찰자의 각도와는 무관하게 원래의 색을 유지한다는 점도 발견했다"고 덧붙였다.

구오 교수는 “이런 현상을 발견한 것이 이번 연구의 마술 같은 부분”이라며, “빛의 파장보다도 훨씬 더 작은 폭을 가진 나노 홈 속으로 빛이 집중되는 현상은 긴 파장의 빛이 더 좁은 홈 속에 포획된다는 것을 뜻하는데, 이는 직관적인 의미에도 반하는 일”이라고 설명했다.

이에 따라 미시간대 연구진은 어떤 크기의 홈이 어떤 색의 빛을 포획하는지를 측정했다. 청록색과 자홍색, 그리고 노란색을 이용한 결과 연구진은 170nm의 홈 깊이와 180nm의 간격에서 40nm의 폭을 가진 틈이 빨간색을 포획하고 청록색을 반사한다는 결론을 얻을 수 있었다.

또한 60nm의 폭을 가진 틈은 녹색을 포획하고 자홍색을 만들며, 90nm 폭의 틈은 파란색을 포획하여 노란색을 발생시킨다는 점도 확인했다. 구오 교수는 “컬러 인쇄를 하는 과정과 매우 비슷한 반사색 기술을 이용하면, 햇빛에서도 디스플레이를 볼 수 있다”고 말했다.

컬러 인쇄를 하는 과정과 비숫하다는 주장에 대해 구오 교수는 “흰색 종이는 반사 표면이므로 색을 만들기 위해서는 프린터로 청록색, 자홍색 및 노란색의 픽셀들을 배치하여 우리 눈에 특정한 스펙트럼의 색으로 보이게 만드는 것이 컬러 인쇄 과정인데 개발한 고해상도 디스플레이도 비슷한 방식으로 작동한다”라고 설명했다.

구오 교수가 밝힌 바에 따르면, 현재 고해상도 디스플레이는 정적인 이미지만을 나타낼 수 있지만, 가까운 미래에는 움직이는 동영상을 구현하는 버전도 개발할 계획인 것으로 알려졌다. 동영상 구현이 가능해진다면 미래 디스플레이의 혁명을 일으킬 수 있는 기술이 될 것이라고 관련 전문가들은 예측했다.

김준래 객원기자 | joonrae@naver.com 저작권자 2013.02.27 ⓒ ScienceTimes