연세소식

디스플레이융합공학과 안남영 교수가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 ‘2026년도 소재글로벌영커넥트’ 사업의 신규 연구과제 책임자로 선정됐다. 안 교수팀은 이번 과제를 통해 전기장을 이용해 빛을 내는 동시에 빛이 좁은 각도로 퍼지도록 제어하는 ‘전계구동형 협각 발산 메타발광소재’를 개발하고, 이를 기반으로 초실감 디스플레이용 광원 원천기술 확보에 나선다.

‘소재글로벌영커넥트’는 신진연구자의 국가전략기술 분야 미래소재 연구를 지원해 기술 난제 해결과 연구 리더십 강화, 글로벌 연구 네트워크 형성을 뒷받침하는 사업이다. 소재 분야의 젊은 과학자가 국가전략기술에 필요한 미래소재를 직접 발굴·기획하고 연구를 주도적으로 수행할 수 있도록 지원한다.

차세대 확장현실(Extended Reality, XR)과 초실감 디스플레이를 구현하기 위해서는 밝기와 발광효율을 높이는 것뿐만 아니라 빛이 원하는 방향으로 방출되도록 정밀하게 제어하는 광원 기술이 필요하다. 그러나 기존 발광소재와 발광소자는 빛이 넓은 각도로 퍼지는 특성 때문에 방향을 정밀하게 제어하기 어렵고, 특히 높은 밝기에서는 발광효율이 떨어지는 문제가 있어 차세대 초실감 디스플레이 광원으로 활용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 빛을 만들어내는 발광소재와 빛의 방향을 제어하는 광구조의 기능을 결합한 ‘메타발광소재(Meta-Emitting Material)’를 개발한다. 기존 발광소재가 빛을 얼마나 효율적으로 만들어내는지에 초점을 맞췄다면, 메타발광소재는 빛을 효율적으로 생성하는 동시에 원하는 방향으로 방출되도록 제어하는 것이 핵심이다.

이를 위해 먼저 높은 밝기에서도 발광효율을 유지할 수 있는 다중 엑시톤 기반의 다중광자 방출 메타발광소재를 설계·합성한다. 엑시톤(Exciton)은 빛을 방출할 수 있는 에너지 상태로, 연구팀은 여러 개의 엑시톤을 활용해 높은 밝기에서도 효율적으로 빛을 낼 수 있는 소재 구현에 나선다. 또한 초고속 분광학(Ultrafast Spectroscopy)을 활용해 다중 엑시톤의 양자효율과 광이득(Gain), 결맞음(Coherence) 특성 등을 분석하고 고휘도 환경에서 발생하는 발광 손실의 원인을 규명할 계획이다.

이와 함께 발광소재와 정밀하게 설계된 메타광구조를 결합해 빛이 퍼지는 각도인 발산각을 줄이는 기술을 개발한다. 구조광학 시뮬레이션과 양자역학적 모델링, 나노 수준의 위치·배열 제어, 나노광학구조 결합 기술 등을 활용해 빛이 원하는 방향으로 방출되도록 정밀하게 제어할 예정이다.

궁극적으로는 메타발광소재를 전기로 구동하는 발광소자로 구현해 실제 디스플레이 광원으로 활용할 수 있는 원천기술을 확보하는 것이 목표다. 적색·녹색·청색 전 영역에서 높은 발광효율을 유지하면서 빛의 발산각을 약 5도 수준으로 좁히고, 100만 cd/㎡ 이상의 높은 밝기를 구현하는 데 도전한다.

이번 연구에는 디스플레이융합공학과 안남영 교수, 김종찬 교수를 비롯해 국립한밭대 정우익 교수, KAIST 이창환 교수, 한양대 함동효 교수 등이 공동연구진으로 참여한다.

연구팀은 메타발광소재의 설계·합성부터 발광 메커니즘 분석, 메타광구조 결합, 전계구동형 소자 구현까지 아우르는 융합 연구를 추진한다. 개별 소재의 성능을 높이는 데 그치지 않고 소재와 광구조, 소자를 유기적으로 연계해 연구 성과를 실제 초실감 디스플레이용 광원 기술로 발전시킨다는 계획이다.

글로벌 공동연구도 추진한다. 연구팀은 프랑스 에콜 폴리테크니크(École Polytechnique)와 협력해 초고속 분광학 기술을 활용하고, 메타발광소재가 빛을 내는 과정에서 나타나는 초고속 변화와 다중광자 방출 원리를 분석할 계획이다. 이를 통해 관련 분석 기술을 고도화하는 한편 국제 공동연구 네트워크도 확대해 나갈 예정이다.

개발된 기술은 향후 XR을 비롯한 초실감 디스플레이와 초고휘도·초고해상도 디스플레이, 차세대 광전자소자의 광원 기술로 활용될 것으로 기대된다. 또한 국내 차세대 디스플레이 기업과의 기술 연계를 통해 핵심 소재·부품 분야의 기술 경쟁력을 높이고 관련 산업 발전에도 기여할 것으로 전망된다.

안남영 교수는 “기존 발광소재 연구가 얼마나 많은 빛을 효율적으로 만들어낼 것인가에 집중했다면, 이번 연구는 빛을 효율적으로 만드는 것을 넘어 생성된 빛이 어느 방향으로 방출될 것인지까지 소재 단계에서 제어하는 새로운 접근”이라고 설명했다.

이어 “연세대를 비롯한 국내 대학 연구진과 프랑스 École Polytechnique 연구진이 각자의 전문성을 결합해 ‘메타발광’이라는 새로운 소재 연구 영역을 개척하고자 한다”며 “초고휘도와 고효율, 좁은 발산각을 동시에 구현할 수 있는 전계구동형 메타발광소재 원천기술을 확보해 차세대 초실감 디스플레이 기술 발전에 기여하는 것이 목표”라고 밝혔다.