시공간의 제약을 넘어 현실과 가상의 경계를 넘나드는 것은 ‘홀로그램’이 있다면 누구나 누릴 수 있는 경험이다. 홀로그램은 1947년 발명 이래, 현재까지 물체의 빛을 기록하고 재현하는 가장 완벽한 방법으로 알려졌지만, 여전히 기술적 한계로 상용화 단계에 가까워지지 못하고 있다.

▲ 삼성전자 종합기술원 안중권 전문 연구원, 원강희 전문 연구원, 이홍석 마스터(왼쪽부터)

‘홀로그램을 더 많은 분야에서 쉽게 활용할 수 있는 방법은 정말 없을까?’ 홀로그램의 무궁무진한 미래 가치를 알아본 삼성전자 종합기술원 연구원들이 홀로그래픽 디스플레이^[1] 연구에 나섰다. 그리고 8년여의 고군분투 끝에 현지 시간 11월 10일, 연구 성과를 담은 ‘얇은 홀로그래픽 디스플레이(Slim-panel holographic video display)’ 논문이 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되는 성과를 이뤘다.

이번 논문이 홀로그램 분야에서 가지는 의미는 무엇일까? 우리 일상에 홀로그램은 어떤 모습으로 스며들 수 있을까? 궁금증을 해결하기 위해 뉴스룸이 종합기술원 이홍석 마스터·안중권·원강희 전문연구원을 만나봤다.

‘빛 완벽 복제’로 실제 물건이 눈앞에 있는 것처럼

홀로그램은 실제로 존재하지 않지만, 마치 눈앞에 대상이 있는 것처럼 생생한 이미지를 형성해주는 기술이다. ‘사실적인 영상을 표현한다’는 점에선 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 고해상도 디스플레이와 비슷하지만, 가장 큰 차이는 형성된 영상이 표현되는 ‘차원’이다. 이홍석 마스터는 “디스플레이는 빛의 세기만을 조절해 영상을 나타내지만, 홀로그램은 빛의 세기는 물론 위상까지 제어할 수 있어, 스크린의 앞이나 뒤 허공에도 영상을 만들 수 있다”고 홀로그램의 기본 원리를 설명했다.

특히, 홀로그래픽 디스플레이는 3D를 구현하는 많은 디스플레이 중에서도 가장 ‘이상적인’ 3D 디스플레이로 꼽힌다. 안중권 전문 연구원은 “사람은 물체의 깊이를 인식할 때 양안의 시차, 두 눈동자의 각도, 초점 조절, 운동 시차^[2] 등 많은 깊이 인식 단서들을 활용한다”며 “대부분의 3D 디스플레이 방식은 이들 단서 중 일부만을 제공하지만, 홀로그램은 빛을 완벽하게 복제해 모든 깊이 인식 단서를 제공하기 때문에 실제 물체가 있는 것처럼 완벽하게 구현할 수 있다”고 덧붙였다.

▲ 삼성전자 종합기술원 안중권 전문 연구원

홀로그램 생성부터 재생까지, 전 과정 한계 극복으로 상용화 가능성 확보

격리 병동 환자를 위한 병문안, 가상 설계도, 내비게이션, 고대 유물 구현까지. 홀로그램은 영역을 가리지 않고 다양한 분야에 적용 가능해 무한한 확장성을 지닌 기술로 꼽힌다. 하지만, ‘화면의 크기와 시야각의 상관관계’라는 커다란 장벽으로 인해 아직까지 많은 곳에서 활용되지 못하고 있는 상황. 홀로그램은 화면을 키우면 화면을 볼 수 있는 각도가 좁아지고, 반대로 각도를 넓히면 화면이 작아지는 한계를 지닌다. 30° 시야각을 가지는 풀HD 홀로그램의 크기가 2mmX1mm라고 가정했을 때, 홀로그램을 200mmX100mm로 보기 위해 크기를 확대하면, 시야각은 0.3°로 좁아지는 식.

▲ 삼성전자 종합기술원 원강희 전문 연구원

홀로그래픽 디스플레이 연구진은 이러한 좁은 시야각 문제를 해결하기 위해 ‘S-BLU(Steering-Backlight Unit)’라는 특별한 광학 소자를 개발했다. 원강희 전문 연구원은 “S-BLU는 빛을 한 방향으로만 직진하게 하는 C-BLU(Coherent-Backlight Unit)라는 얇은 면 모양의 광원과 광선의 범위를 변경할 수 있는 빔 편향기(Beam Deflector)로 구성되어 있다”고 말하며 “기존 10인치형 4K 해상도 화면은 0.6°의 아주 좁은 시야각을 제공하는데, S-BLU를 이용하면 관찰자 방향으로 영상을 꺾어 시야각을 약 30배 넓힐 수 있다”고 설명했다. 좁은 시야각을 극복하면서도 시중에서 사용되는 평판 형태의 얇은 디스플레이로 홀로그램을 만들어낸 것이다.

이번 연구로 도출된 또 다른 성과는 홀로그램 계산을 단일 칩 FPGA(Field Programmable Gate Array)^[3]
를 이용해, 4K 홀로그램 영상을 실시간으로 생성할 수 있는 방법을 제시했다는 것이다. 홀로그램 계산에는 여러 방식이 존재하는데, 이번 연구로 개발된 계산은 기존에 널리 사용되는 점 단위 연산 대신 면 단위 연산을 사용한다. 정보 유실을 막고, 과도한 샘플링을 하지 않는 조건을 적용해 알고리즘을 최적화한 후, FPGA를 사용해 실시간으로 홀로그램을 계산했다. 이홍석 마스터는 “홀로그램의 생성부터 재생까지 전체적으로 완성된 시스템 구현을 통해 상용화 가능성을 확보했다”며 연구의 의미를 밝혔다.

“미래 디스플레이의 핵심 기술이 될 수 있도록”

공상과학영화의 단골 소재인 만큼, 홀로그램은 ‘한 번쯤 들어본 적 있는’ 친숙한 개념이다. 하지만, 원강희 전문 연구원은 “실제 일상에서 홀로그램을 원활히 사용하기까지는 연구 개발이 더 필요할 것”이라 말한다. 일상 기술이 되기 위해선 디스플레이와 그에 맞는 홀로그램 콘텐츠, 촬영 장치와 빅데이터를 전송하기 위한 프로토콜 등의 개발이 수반되어야 하기 때문.

그는 “다만, ‘자동화 기기에 가상의 홀로그램 키패드가 적용’되거나, ‘매장 키오스크에서 상품을 홀로그램으로 선택’하는 것과 같이 제한된 용도와 크기로는 조금 더 일찍 실생활에서 쓰일 수 있을 것 같다”면서 “홀로그램이 점점 대중화되면 손가락 움직임이나 음성, 눈의 시선 추적, 뇌파 인식 등과 같이 비접촉식 UI(유저 인터페이스)가 활발히 사용될 것”이라 홀로그램의 미래를 내다봤다.

▲ 삼성전자 종합기술원 이홍석 마스터

이번 연구 발표로 홀로그래픽 디스플레이의 프레임 워크를 제시하고 상용화 가능성의 중요한 관문을 넘어선 세 명의 연구진들. 이홍석 마스터는 “앞으로 홀로그램이 디스플레이 시장을 선도할 핵심 기술로 자리 잡을 수 있도록 최선을 다하겠다”는 의지를 밝혔다.

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 사업이다. 삼성미래기술육성사업은 지금까지 601개 과제에 7,713억 원을 집행했다. 국제학술지에도 총 1,244건의 논문이 게재되는 등 활발한 성과를 보이고 있다. 특히 사이언스(5건), 네이처(2건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문도 96건에 달한다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

① 레이저를 활용한 전자 신호 시간 측정·제어 기술… 향후 6G 등 차세대 통신에 활용 가능

김정원 KAIST 교수와 정하연 고려대학교 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 디지털 형태의 전자 신호 시간 오차를 1경분의 1초(100아토초= 10^-16초) 이하 수준까지 측정하고 제어할 수 있는 기술을 개발했다.

이 연구 결과는 22일(영국 현지 시간) 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 발표됐다. 최근 5G 통신, 자율주행차 등 데이터 전송 속도가 매우 빠른 전자 장비가 급격히 증가함에 따라, 전자기기 간 시간 동기화와 시간 오차를 수십 펨토초(1펨토초= 10^-15초, 1000조분의 1초) 수준으로 줄이려는 노력이 활발하다.

그러나 현재의 기술로는 수십 펨토초 이하의 시간 측정과 제어가 어려워 정밀한 시간 동기화를 필요로 하는 6G 통신 등 미래의 정보통신에 적용하기 어려운 한계가 있었다. 학계에서는 펨토초 이하 수준의 시간 오차로 광신호를 생성하는 ‘초고속 펄스 레이저’를 도입하려는 연구가 진행됐으나, 그동안의 연구들이 아날로그 형태의 전자 신호 생성에 국한돼 정보통신 시스템에 적용하기에 어려움이 있었다.

김정원 교수 연구팀은 초고속 펄스 레이저에서 나오는 광신호를 디지털 형태의 전자 신호로 변환하고 측정하는 새로운 기술을 개발해 이 문제에 대한 돌파구를 제시했다. 이 기술을 이용하면 광신호와 디지털 전자 신호 간의 시간 오차를 50아토초(2경분의 1초) 정확도로 매우 정밀하게 측정할 수 있어, 기존에 불가능했던 디지털 형태의 전자 신호를 정확하게 측정하고 제어할 수 있다.

김정원 교수는 “이번 연구 결과를 이용하면 5G, 데이터센터 통신 등에서 시간 오차를 현재 대비 최대 100배 이상 정밀한 수준으로 제어할 수 있다”며, “향후 정밀한 시간 성능이 요구되는 차세대 데이터 변환기, 초고속 통신, 집적회로의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 삼성전자는 이번 연구를 2017년 12월 삼성미래기술육성사업 지원과제로 선정했다.

② 기존 대비 색 재현성이 2배 이상 우수하고 물속에서도 1년 이상 안정성이 유지되는 차세대 퀀텀닷 소재 연구

허남호·주진 경북대학교 응용화학공학부 교수, 한정우 포스텍 화학공학과 교수가 공동 연구를 통해 색 재현성과 수분 안정성이 우수한 차세대 퀀텀닷 소재 기술을 개발했다.

이 연구 결과는 혁신적인 소재 기술로 인정받아 20일(독일 현지시간) 재료 과학 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다. 퀀텀닷은 직경이 10억분의 1m 수준의 입자로, 색 재현성이 뛰어나 QD 디스플레이 구현의 핵심 물질로 사용되고 있다.

최근에는 색 재현성이 기존 대비 2배 이상 우수한 페로브스카이트(Perovskite) 퀀텀닷 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 페로브스카이트는 수분과 접촉하면 성능이 저하되는 등 안정성이 떨어지는 단점이 있어, 학계에서는 수분 접촉 차단을 위한 다양한 연구가 진행 중이나 상용화에 적용할 수준의 안정성은 확보하지 못했다.

허남호 교수 연구팀은 다공성(多孔性) 물질인 제올라이트(Zeolite)에 페로브스카이트를 결합시켜 수분과 접촉하더라도 성능이 저하되지 않는 기술을 개발해 돌파구를 제시했다. 이렇게 만들어진 발광체는 물속에 1년 이상 두어도 안정성이 유지됨은 물론, 제올라이트와의 결합 과정에서 페로브스카이트의 크기와 배열이 균일해져 색 재현성 또한 기존 페로브스카이트보다 10% 향상된 것을 확인했다. 삼성전자는 이번 연구를 2019년 12월 삼성미래기술육성사업 지원과제로 선정했다.

③ 중증 코로나19 환자에게서 발생하는 사이토카인 폭풍 원인 규명

한편, 2014년 12월부터 지금까지 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 ‘중증 바이러스 질환에서 면역세포의 숙주손상 유발기전’을 연구해 오고 있던 신의철 KAIST 의과학대학원 교수는 정인경 KAIST 생명과학과 교수, 김성한 서울아산병원 교수, 최준용·안진영 연세대 세브란스병원 교수, 정혜원 충북대병원 교수와의 공동 연구를 통해 중증 코로나19 환자의 상태를 급격히 악화시키는 사이토카인 폭풍(Cytokine storm, 과잉 염증반응)의 원인을 세계 최초로 규명했다.

이번 연구 결과는 10일(미국 현지 시간) 면역학 분야의 세계적 학술지인 ‘사이언스 이뮤놀로지(Science Immunology)’에 발표됐으며, 향후 코로나19 환자 치료에 있어 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.

앞서 2018년 1월에는 바이러스성 간염 환자에서 어떻게 면역세포가 간 손상을 유발하는지 상세한 메커니즘을 밝혀 세계적인 주목을 받기도 했다.

신의철 교수는 “6년 전부터 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 축적한 중증 바이러스 연구 경험과 인프라가 이번에 갑자기 찾아온 코로나19의 연구에 큰 도움이 되었다”고 밝혔다.

▲ 왼쪽부터 KAIST 김정원 교수, 경북대 허남호 교수. KAIST 신의철 교수

이 기술이 상용화된다면 현재 적∙녹∙청 발광 3원색 중 청색만 인광이 아닌 형광 소재를 사용하고 있는 OLED의 수명과 성능을 혁신적으로 늘릴 수 있게 된다.

※ 형광: 유기 화합물이 전기적으로 에너지 준위가 상승될 때 형성되는 4종의 전자-정공 쌍 중 1종(일중항)만 빛으로 변환, 변환 효율이 25%에 불과

※ 인광: 형광에서는 변환이 되지 않는 3종(삼중항)이 빛으로 변환될 뿐 아니라, 일중항까지 삼중항으로 전이, 빛으로 변환하여 변환 효율이 100%에 이름

이 연구 결과는 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인에 게재됐다.

OLED는 자체 발광이 되는 유기 화합물로, 화면이 밝고 명암비가 우수한 동시에 소비 전력도 적은 장점을 가지고 있다. 하지만 이미 고효율 인광 소재가 상용화된 적색, 녹색과 달리 청색 인광은 짧은 수명 때문에 상용화되지 못해 형광 소재를 쓰고 있고, 따라서 수년 이상 장기간 사용하기에는 적합하지 않다는 지적이 있다.

연구진은 청색 인광의 소재 분해 경로를 분석하던 중, 인광 구성 요소 간의 전자 전이 과정에서 형성된 전하 분리종이 열화를 가속시킨다는 메커니즘을 확인했다.

이는 청색 인광 소재가 적색, 녹색보다 왜 그렇게 빨리 수명이 단축되는지를 최초로 과학적으로 증명한 연구다.

※ 전하 분리종: 전기적 극성이 없던 분자가 주변 분자로부터 전자를 얻거나 잃으면서 성질이 변한 상태. 일종의 상태 변이종

연구진은 나아가 전하 분리종 소멸 속도에 따라 최대 수십 배까지 수명 차이가 발생하는 것을 확인했고, 전하 분리종을 최대한 빨리 소멸시켜 수명을 늘릴 수 있는 소재 결합 구조도 제시했다.

이번 공동 연구에 참여한 종합기술원 인수강 전문연구원은“향후 추가 연구를 통해 열화를 최소화할 수 있는 청색 인광 소재를 찾고 이를 실제 시스템까지 적용하는 것이 최종 목표”라고 말했다. 이화여대 유영민 교수는 “청색 OLED 소자 수명이 짧은 원인을 설명하는 새로운 화학 메커니즘을 제시한 데에 의의가 있으며, 이 메커니즘은 나아가 유기 트랜지스터 등 다른 전자 소자의 수명을 이해하는 데에 요긴하게 쓰일 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 삼성전자 종합기술원은 삼성SDI와 녹색 인광 소재를 개발하여 2014년부터 삼성 갤럭시 스마트폰에 적용해 왔으며, 모바일 제품용 청색 인광 소재 기술을 확보하기 위해 2015년부터 분자 광학(Molecular Photonics) 분야 전문가인 이화여대 유영민 교수 연구팀과 협력을 진행해 왔다.

▲OLED 청색 인광 소재가 전자의 이동 때문에 불안정해지고, 이 때문에 성능저하를 일으키는 열화를 일으킨다는 개념도

이와 관련한 연구성과는 25일 과학저널인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인에 ‘SiC-free (Silicon carbide-free) 그래핀 직성장 실리콘 음극 소재를 이용한 고용량 리튬이온전지 구현’이라는 제목으로 게재됐다.

리튬이온전지는 1991년에 최초로 상용화된 이후, 음극이나 양극 소재의 한계로 인해 전지 구조 최적화를 통한 용량 개선 중심으로 개발돼 왔다.

이에 따라 용량 발전이 2배 수준에 그쳐, 모바일 기기와 전기자동차 시장의 본격 성장에 따른 고용량, 고밀도 전지 개발에 한계가 있었다.

최근에는 근본적으로 용량을 혁신할 수 있는 고용량 전지소재 개발이 가속화 되고 있다.

특히 기존의 음극 소재인 흑연 대비 10배 이상 용량을 높일 수 있는 소재 후보로 실리콘 연구가 활발히 진행 중이지만, 전지의 충방전이 반복되면서 수명이 급격히 저하되는 기술적 난제가 있었다.

삼성전자 종합기술원은 이 문제를 해결할 수 있는 고용량, 고내구성 음극소재를 개발했다.

연구진은 물리적 강도와 전도도가 높은 그래핀을 세계 최초로 실리콘 표면에 성장시켜 충방전중 부피 팽창으로 인한 구조 붕괴를 막는 그래핀 층을 갖는 구조의 소재를 합성했다.

특히, 부피가 팽창될 때 그래핀 보호층이 슬라이딩되어 내구성을 향상시키는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.

이 소재는 흑연 대비 4배의 용량을 가졌으며, 이를 통해 상용 리튬이온전지에 적용하면 2배에 가까운 에너지밀도를 구현할 수 있다.

관련 기술은 미국, 유럽, 중국, 한국 등에 총 5건이 특허 출원됐다.

논문의 제1저자인 삼성전자 종합기술원 손인혁 전문연구원은 “이번 연구는 고결정 그래핀의 신규 합성법을 고용량 실리콘 음극에 적용해 리튬이온전지 소재 성능을 크게 향상한 결과”라며, “모바일 기기와 전기자동차 시장의 확대에 맞춰 2차전지 기술을 지속적으로 혁신해 나갈 것” 이라고 말했다.

삼성전자 종합기술원은 또 나노미터 규모에서 그래핀 내의 포논(phonon) 특성을 제어할 수 있는 기술을 개발했다.

이는 25일 네이처 커뮤니케이션즈 온라인에 ‘나노미터 규모에서의 그래핀 포논 제어’라는 제목으로 게재됐다.

아르곤(argon) 이온을 그래핀에 충돌시켜 그래핀과 기판 사이를 넓혀 수 나노미터 규모에서 순수한 그래핀 상태를 구현하는 데 성공한 것이다.

반도체 선폭의 10분의 1 수준인 나노미터 크기로 기판과 상호작용이 작은 순수한 그래핀 영역을 생성하는 방법을 최초로 제시한 이번 연구로 국소적인 포논 특성 측정을 통해 향후 그래핀을 활용한 고집적 반도체 소자의 설계와 분석의 기반을 마련하게 됐다.

▲ 25일 과학저널인‘네이처 커뮤니케이션즈’온라인에 게재