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POSTECH 반도체대학원

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 카이랄 나노구조로 가시광 전 영역 빛과 색의 파장을 직접 생성·변화시키는 ‘리얼 풀 컬러’ 기술을 개발한 공로를 인정하여 대한민국 과학기술인상 9월 수상자로 최수석 포항공대 전자전기공학과 교수를 선정했다고 2일 밝혔다.

최 교수는 수십 년간 당연하게 여겨져 온 ‘고정된 RGB 3색을 혼합해 색을 만든다’는 디스플레이 설계 기준을 벗어나 빛의 색과 파장 자체를 직접 생성하고 제어하는 새로운 가능성을 제시했다. RGB 방식은 세 가지 기본 색의 조합만으로 수많은 색을 안정적으로 구현할 수 있어 수십 년간 디스플레이 산업의 표준으로 활용됐지만 여러 색을 조합하는 구조인 만큼 소재와 화소 설계, 제조 공정이 복잡해질 경우 자연에서 볼 수 있는 순도 높은 색을 그대로 표현하기 어렵다는 근본적인 한계가 있었다.

최 교수와 연구팀은 이 같은 문제를 해결할 해법을 나비와 카멜레온에서 찾았다. 나비나 카멜레온은 색소를 섞어 색을 만드는 대신 나노미터(㎚) 크기의 규칙적인 미세구조가 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사하도록 해 선명한 ‘구조색’을 만든다. 구조의 간격이 달라지면 반사되는 빛의 파장이 달라지고 그 결과 눈에 보이는 색도 달라진다. 하지만 이 같은 자연계의 정교한 나노 구조를 인공적으로 만들려면 복잡한 나노 공정이 필요하다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 분자들이 스스로 나선형으로 배열되는 ‘카이랄 나노 구조’를 활용했다. 자연의 구조색이 미세구조에 따라 색을 만들어내는 원리를 카이랄 나노 구조로 구현한 셈이다. 이에 따라 복잡한 나노 공정 없이도 분자 구조의 주기를 조절해 원하는 색과 파장을 직접 만들고 바꿀 수 있게 됐다. 해당 기술의 대표적인 성과는 카멜레온의 피부를 모사한 ‘인공전자피부(Photonic E-Skin)’다. 소재를 잡아당기면 나노 구조의 간격이 달라지고 이에 따라 반사되는 빛의 파장과 색도 변한다. 연구팀은 소재가 늘어난 정도와 색 파장 사이의 관계까지 규명해 단순히 색이 변하는 소재를 넘어 물체가 얼마나 변형됐는지를 색으로 직접 읽고 분석할 수 있도록 했다.

연구팀은 약 2V의 낮은 전압만으로 원하는 색을 골라 표현할 수 있는 ‘가변 컬러필터’도 개발했다. 기존 디스플레이는 빨강·초록·파랑 등 색깔마다 각각 다른 필터가 필요하지만 이 기술은 하나의 카이랄 나노 구조만으로 여러 색을 만들어내고 전압을 조절해 색을 바꿀 수 있다. 최근에는 이 원리를 레이저에도 적용했다. 하나의 레이저에서 나오는 빛의 색을 빨강부터 보라까지 가시광 영역에서 자유롭게 바꿀 수 있도록 한 것이다. 특히 일반적인 유기발광다이오드(OLED)나 퀀텀닷(QD)보다 훨씬 순도 높은 색을 표현할 수 있어 AR이나 홀로그램처럼 선명하고 정밀한 빛이 필요한 차세대 광학 기술에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 최 교수가 산업 현장에서 오랫동안 축적한 경험과 문제의식에서 출발했다. 최 교수는 LG디스플레이에서 19년간 근무하며 RGB 혼색 방식의 공정 복잡성과 광손실, 색순도의 한계를 직접 체감했다. 이후 2019년 포항공대로 자리를 옮겨 이러한 한계를 뛰어넘기 위한 카이랄 나노 구조 기반 차세대 디스플레이 연구를 본격화했다. 최 교수는 “LG디스플레이와는 오랜 기간 스트레처블 디스플레이를 함께 연구했고 광학기술을 반도체와 이미지센서 분야로 확장하는 연구도 삼성전자와 여러 해 동안 이어가고 있다”며 “산업의 현실적인 시각과 대학의 자유로운 근원적 고민에 대한 탐구를 연결하는 것이 현재 연구의 중요한 방향”이라고 설명했다.

최근 최 교수는 색을 표현하는 것을 넘어 빛 자체에 정보를 담는 ‘광학 암호’ 연구를 진행 중이다. 이 기술은 픽셀마다 서로 다른 색과 파장, 편광 정보를 넣고 전기 자극이나 소재의 변형까지 암호 조건으로 활용한다. 하나의 이미지에 여러 층의 정보를 중첩하고 특정한 조건에서만 정보를 읽을 수 있도록 해 위변조 방지와 인증, 고밀도 광정보 저장, 광정보처리 등에 활용될 수 있다.

해당 기술은 인공지능(AI) 시대에 더 중요해질 것으로 보인다. 최 교수는 “현재는 대부분 전기적·디지털 방식의 암호화 기술이 사용되고 있지만 보다 높은 보안성을 위해서는 기존 방식과 다른 물리적 정보 채널을 함께 활용하는 접근도 필요하다”며 “빛은 다양한 색과 세기뿐 아니라 파장, 편광, 공간 패턴 등 여러 정보를 동시에 담을 수 있어 매우 흥미로운 암호화 매체”라고 말했다.

<출처>
9월 과기인상에 최수석 교수…나노구조 기반 풀컬러 구현 | 연합뉴스
‘리얼 풀 컬러’로 RGB 한계 넘어…AR·홀로그램 기술 새 길 열다[대한민국 과학기술인상] | 서울경제