전자공학과 이승현 교수 연구팀, 증강현실 기기에 적합한 초고집적 광소자 어레이 개발
실리콘·질화갈륨·퀀텀닷 등 기술 융합으로 난제 극복

웨어러블 기기를 사용해 가상현실에서 생활하는 모습은 공상과학 영화에서 쉽게 찾아 볼 수 있다. 최근 과학 기술이 거듭 발전하며 영화 속 상상이 현실에서 구현되고 있다. 일반적인 환경에 가상의 사물이 공존하는 혼합 현실(Mixed Reality), 증강현실(Augmented Reality)은 빠른 속도로 상용화돼 원격 수술, 시뮬레이션, 엔터테인먼트 등 다양한 분야에 적용되며 영역을 넓혀가고 있다. 최근 페이스북이 메타(Meta)로 회사명을 변경한 사례는 가상현실의 중요성이 커지고 있음을 보여준다.

증강현실 기기는 낮과 밤, 실내와 야외 등 시·공간의 제한 없이 초고해상도 이미지를 안구에 투영해야 하고, 스마트폰을 비롯한 다양한 모바일 기기와도 연결할 수 있어야 한다. 지금껏 반도체 기술력의 한계로 증강현실 웨어러블 기기 개발에 어려움이 많았다. 전자공학과 이승현 교수 연구팀이 초고집적 반도체 공정 기술을 개발해 기존 한계를 극복했다.

미세먼지 크기 픽셀로 증강현실 이미지를 안구에 투영
이 교수 연구팀은 미세먼지 크기의 픽셀을 갖는 초고집적 마이크로 발광 다이오드(이하 LED) 및 색 재현율이 뛰어난 퀀텀닷(Quantum Dot)을 이용한 광소자 어레이를 제작했다. 광소자 어레이는 증강현실용 이미지를 안구에 투영할 때 사용될 전망이다. 연구 결과는 세계적인 학술지 <네이처 커뮤니케이션(Nature Communication, (IF=14.919)>에 4월 6일(수) 게재됐다. 연구에 참여한 배준호 학생(전자정보융합공학과 석사5기)은 “미래 중요 기술인 증강현실 상용화를 위한 하드웨어 연구에 매진했는데, 기술적 난제를 해결하는 좋은 결과를 이뤄 기쁘다”는 소감을 밝혔다.

전자회로와 소형 LED는 제작 기판이 달라 공정 융합이 어렵다. 일반적으로 전자회로는 실리콘 기판에서, 소형 LED는 질화갈륨 기판에서 제작된다. 이 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 머리카락 두께 10분의 1 정도로 얇은 질화갈륨층을 실리콘 기판에 전사하는 기술을 개발했다.

개발한 기술을 바탕으로 연구팀은 일반적인 디스플레이 공정 없이, 실리콘 회로 기술만을 사용해 전세계에서 가장 작은 수준인 미세먼지 크기(5？m)의 LED 픽셀 형성에 성공했다. 신유섭 학생(전자공학과 석사4기)은 “전사 기술은 열팽창의 영향을 많이 받아, 낮은 온도로 얇은 합금층 만들기에 집중했다. 개발한 LED 픽셀에서 증강현실 이미지를 안구에 투영하기 적합한 반응이 관찰됐다”고 설명했다.

증강현실에 현실감을 더해줄 색 재현율을 높이기 위해 연구팀은 퀀텀닷 기술을 응용했다. 퀀텀닷은 물질 종류 변화 없이도 입자 크기별 다른 길이의 빛 파장이 발생해 다양한 색을 낼 수 있고, 기존 발광체보다 색 순도, 광 안정성이 높아 차세대 발광 소자로 주목받고 있다. 하지만 퀀텀닷은 일반적인 반도체 공정에 활용되는 여러 용매에 취약하다.

“증강현실 기술 경쟁력 확보에 이바지할 것”
연구팀은 문제 해결을 위해 표면 에너지 강도에 따라 선택적으로 문양을 형성하는 ‘고해상도 건식 전사법’을 개발했다. 그 결과 용매 없이 퀀텀닷 기술을 활용해 RGB 색 구현에 성공했다. 개발한 광소자 픽셀은 현미경으로 보기에도 매우 작아, 웨어러블 기기와 같은 소형 기기에 응용하기 적합하다. 또한 광소자 픽셀은 높은 색 재현율을 보여 증강현실용 이미지를 선명하게 투영할 수 있다.

연구책임자 이승현 교수는 세계에서 가장 얇은 비휘발성 메모리를 개발한 반도체 소자 및 공정 기술의 전문가다. 기술력을 바탕으로 뇌신경망 모사 컴퓨팅, 센서 기술 등 다양한 연구를 진행하고 있다. 그는 “인공지능과 더불어 증강 및 가상현실 기술은 향후 큰 파급효과를 미칠 것으로 예상된다. 세계가 경쟁하는 증강현실 웨어러블 기기 하드웨어 분야에 한국의 경쟁력을 선보여서 기쁘다”고 말했다. 이 교수 연구팀은 미래 반도체 소자 기술 개발에 매진할 계획이다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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