레티나 전자종이, 인간의 눈과 동일한 해상도 달성 (WO₃)

화면 크기는 꾸준히 작아지는 반면 해상도는 급격히 높아져 화면이 우리 눈에 점점 더 가까워지고 있습니다.

초창기 텔레비전과 프로젝터는 멀리 떨어진 여러 사람이 함께 시청하도록 설계되었습니다. 그 결과 크고 무거우며 고정된 위치에 설치되어 사용자들이 화면에 맞춰 자세를 조정해야 했습니다.

그러다가 개인용 컴퓨터가 등장하면서 화면이 우리 손이 닿는 곳에 놓이게 되었습니다. 곧 디스플레이는 개인화되었고, 이는 공유된 상호작용에서 개인적인 상호작용으로의 전환을 가져왔습니다.

그런 다음 온 스마트폰 혁명화면을 우리 눈에 더욱 가까이 가져다주면서, 우리는 어디든 화면을 가지고 다닐 수 있게 되었고, 상호작용은 더욱 친밀해졌습니다.

이제 이러한 진화의 최신 단계에서 디스플레이는 우리 몸 자체로 옮겨갔습니다. 스마트워치, 피트니스 밴드, AR 안경, VR 헤드셋과 같은 웨어러블 기기는 눈에서 불과 몇 밀리미터 떨어진 곳에 위치하여 화면을 우리 몸의 일부처럼 만들어줍니다.

현재 진행 중인 연구는 디스플레이와 인식을 효과적으로 통합하여 디스플레이가 우리 시각 시스템 자체의 일부가 되도록 하기 위해 망막 투영, 근접 시야 디스플레이 및 신경 인터페이스 분야로 나아가고 있습니다.

이 과정의 각 단계에서 물리적 거리는 감소 몰입도가 높아졌습니다. 하지만 디스플레이 기술이 계속 발전함에 따라 이제 우리는 디스플레이 크기와 해상도의 한계에 직면하게 되었습니다. 

디스플레이 발전의 기준이 되는 인간 눈의 해상도 한계(PPD)

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과학자, 엔지니어, 디자이너들이 집중된다 모바일, 증강 현실, 가상 현실 디스플레이의 해상도 향상에 대한 의문은 이러한 개선이 실제로 눈에 띄는 이점을 제공하는가 하는 점입니다.

문제는 혁신가와 제조업체가 픽셀 수를 늘려 디스플레이 기술의 해상도를 계속 높일 수 있지만, 인간의 눈에는 한계가 있다는 점입니다. 

한계 추천된다 망막 해상도 또는 눈의 한계 해상도라고 부르는 것은 망막 자체와는 아무런 관련이 없고 뇌와 관련이 있습니다. 다행인 점은 이 한계가 우리가 원래 생각했던 것, 즉 스넬렌 시력표를 기준으로 한 60픽셀/도(PPD)보다 높다는 것입니다.

디스플레이의 최대 해상도 한계를 결정하기 위해, 최근의 연구¹ 연구진은 망막 해상도의 한계를 규명하고자 했습니다. 그 결과, 디스플레이에 픽셀 수를 늘리면 효율성이 떨어지고 비용이 증가하며 전력 소모도 커진다는 사실을 발견했습니다.

본 연구는 눈에 흐릿함 없이 이미지가 선명하게 보이는 최적의 해상도를 측정하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 연구진은 19명의 참가자를 대상으로 실험을 진행했습니다. 참가자들에게 슬라이딩 디스플레이(해상도 연속 조절 가능)에 회색과 컬러의 미세한 명암 변화를 가진 패턴을 보여주었습니다. PPD(Photonic Percentage Deposition, 화면 해상도 차이)를 측정하기 위해 연구진은 화면을 참가자들에게 가까이 또는 멀리 이동시켰습니다.

연구진은 픽셀 해상도가 관찰자의 시각적 한계를 넘어서면 관찰자가 미세한 선 패턴과 단순한 회색 이미지를 확실하게 구분할 수 없다는 사실을 발견했습니다. 즉, 관찰자가 해상도 한계에 도달하면 두 이미지를 구별할 수 없게 되며, 이는 픽셀 수를 늘리거나 세부 묘사를 추가해도 인간의 눈으로는 더 이상 구별할 수 없기 때문에 의미가 없다는 것을 의미합니다.

연구 측정 결과에 따르면, 인간의 눈은 정면에서 흑백 이미지를 볼 때 각도당 94픽셀의 해상도로 세부 사항을 구분할 수 있지만, 유색 이미지의 경우 이 해상도가 떨어집니다. 빨간색과 녹색 패턴의 경우 89픽셀/도였고, 노란색과 보라색의 경우 53픽셀/도까지 더욱 낮아졌습니다. 연구진은 또한 유색 패턴의 해상도 한계가 흑백 패턴보다 더 크게 떨어지는 것을 관찰했다고 보고했습니다.

"우리의 눈은 본질적으로 그다지 뛰어나지 않은 센서이지만, 우리 뇌는 그 데이터를 처리하여 우리가 봐야 할 것으로 판단하는 정보를 만들어냅니다."

- 라파우 만티우크, 이 연구의 공동 저자이자 케임브리지 대학교 그래픽 및 디스플레이학과 교수

초고해상도(PPI)에서 발광 픽셀 크기 축소가 한계를 보이는 이유는 무엇일까요?

우리 눈이 구분할 수 있는 수준을 넘어 픽셀 밀도를 높이는 데에는 대가가 따릅니다. 발광 디스플레이에서 픽셀 크기가 계속 작아짐에 따라 발광의 균일성과 강도가 저하되고 밝기가 떨어집니다. 줄어들었다또한 색상 간섭과 제작 복잡성이 증가하여 초고해상도 이미징을 구현하기가 어려워집니다.

오늘날 상용 스마트폰 패널은 약 60µm(약 450 PPI) 크기의 픽셀을 사용합니다. 네이처(Nature) 연구에 따르면, 이는 인간의 눈에 가장 적합한 디스플레이에 이론적으로 필요한 픽셀 크기보다 수천 배나 큰 크기입니다. 따라서 단순히 발광 소자의 크기를 줄이는 것이 아니라 완전히 새로운 픽셀 구조를 개발해야 한다는 요구가 제기되고 있습니다. 이 정도 크기에서는 맨눈으로 빛을 인지하기 어렵고, 특히 밝은 야외 환경에서는 더욱 그렇습니다.

가장 작은 크기의 컬러 마이크로 LED 디스플레이의 경우, 픽셀 크기가 작아 넓은 시야각에 걸쳐 망막 수준의 해상도를 구현하는 데 어려움이 있습니다. 픽셀 크기가 1마이크로미터(μm) 미만이면 성능이 저하됩니다. 이처럼 작은 크기에서는 균일성 및 색상 혼선 또한 기술적 난관으로 작용하여, 기존의 발광 디스플레이 기술로는 궁극적인 VR 디스플레이를 구현하기 어렵습니다.

하지만 주변광을 활용하고 픽셀 크기에 관계없이 높은 광학적 대비를 유지할 수 있는 전자 종이도 있습니다.

전자종이(E-paper) 또는 지능형 종이는 평면 디스플레이처럼 자체적으로 빛을 내는 대신 주변광을 반사하여 종이에 잉크로 인쇄된 것처럼 보이게 하는 디스플레이 장치입니다. 평면 디스플레이는 자체 발광을 위해 추가 에너지가 필요합니다. 이 전자종이 또는 전자잉크가 편안한 독서감을 제공하는 이유는 바로 이 때문입니다. 또한 대부분의 발광 디스플레이보다 더 넓은 시야각을 제공할 수 있습니다.

게다가 전자종이는 전원이 없어도 정지된 이미지를 유지할 수 있습니다. 지속적인 화면 갱신 없이 콘텐츠를 표시할 수 있는 능력 덕분에 에너지 효율이 매우 높습니다.

이 이는 서로 다른 전하를 띤 초소형 유색 입자가 들어 있는 투명한 액체로 채워진 수백만 개의 미세한 캡슐 덕분에 가능합니다. 얇은 캡슐막의 위아래에 전극이 배치되어 있으며, 가해지는 전기장에 따라 입자는 위쪽 또는 아래쪽으로 이동합니다. 캡슐 바닥면이 디스플레이 표면에 특정한 색상을 부여합니다.

하지만 전자종이에는 한계가 있습니다. 캡슐 크기 제한 때문에 고해상도를 구현할 수 없습니다. 

그래서 예테보리 대학교, 찰머스 공과대학교, 웁살라 대학교의 연구진들이 협력하여 초고해상도를 구현할 수 있는 새로운 전자종이 기술인 '레티나 전자종이'를 발표했습니다.

연구진에 따르면, 이들의 망막용 전자종이는 인치당 픽셀 수(PPI)가 25,000개를 넘어섰는데, 이는 8mm 화면에서 120° 시야각에 걸쳐 인간의 이론적 시각 한계인 도당 픽셀 수 60개를 초과하는 수치입니다. 

이 새로운 전자종이는 전기화학적 환원에 의해 절연체에서 금속으로 변하는 전기변색성 WO3 메타픽셀을 특징으로 하며, 이를 통해 굴절률과 광 흡수를 동적으로 조절하고 나노 규모에서 반사율과 대비를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 

이러한 효과를 활용하여 메타픽셀은 디스플레이 크기가 동공 직경과 일치할 때 시각적 해상도 한계에 가까운 밀도를 달성할 수 있습니다. 연구에 따르면 이 새로운 기술은 강력한 광학적 대비, 낮은 에너지 소비, 최대 80%의 반사율, 25Hz 이상의 비디오 재생 기능, 그리고 아나글리프 3D 디스플레이 지원을 보여주며, 몰입형 가상 현실 시스템을 위한 차세대 솔루션으로서의 잠재력을 강조합니다.

레티나 E-페이퍼: WO₃ 메타픽셀로 사람 수준의 해상도 구현

네이처(Nature)에 발표된 이 연구는 다음과 같습니다.,“사람이 볼 수 있는 해상도를 가진 비디오 속도 조절 가능 컬러 전자 종이"² 최고 해상도의 화면에 가장 작은 픽셀을 사용하는 새로운 기술에 대해 자세히 설명했습니다. 인간의 눈은 인지할 수 있다. 

픽셀은 나노입자를 사용하여 색상을 재현하는데, 이 나노입자의 크기와 배열은 빛이 산란되는 방식을 제어합니다. 나노입자의 광학적 특성은 전기적으로도 조절할 수 있습니다. 

이번 획기적인 기술 개발을 통해 현실 세계와 똑같은 가상 세계를 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다.

스웨덴 웁살라 대학교 재료과학 및 공학부의 부교수이자 이번 연구의 주 저자인 쿤리 시옹에 따르면,

"우리가 개발한 기술은 정보 및 주변 세계와 상호 작용하는 새로운 방식을 제공할 수 있습니다. 창의적인 가능성을 확장하고, 원격 협업을 개선하며, 심지어 과학 연구를 가속화할 수도 있습니다."

새로운 전자종이는 크기 문제를 해결했습니다.

픽셀의 크기와 개수는 화면 표시의 해상도와 사실감을 결정합니다.. 그러나, 픽셀은 만들 수 없습니다 성능에 영향을 주지 않을 정도로 작습니다. 결과적으로 오늘날의 AR 및 VR 경험은 다음과 같습니다. 제한되어있다.화면이 작고 눈 가까이에 위치해 있기 때문입니다.

레티나 전자종이의 각 픽셀 크기는 560나노미터에 불과합니다. 한편, 전체 화면 면적은 사람의 눈동자 크기와 비슷하며, 25,000 PPI를 넘는 해상도를 제공합니다.

"이는 각 픽셀이 눈의 광수용체, 즉 빛을 생물학적 신호로 변환하는 망막의 신경 세포 하나에 대략적으로 대응한다는 것을 의미합니다. 인간은 이보다 더 높은 해상도를 인지할 수 없습니다."

– 안드레아스 달린, 찰머스 공과대학교 화학공학과 교수

새로운 유형의 반사 스크린은 다음과 같습니다. 놓을 수 있습니다 눈에 매우 가깝기 때문에 수동적입니다. 이 이는 자체 광원이 없다는 것을 의미합니다. 대신, 주변광이 픽셀 표면의 미세 구조에 닿을 때만 픽셀의 색상이 나타납니다.

흥미롭게도, 벌새나 찌르레기 같은 많은 작은 새들의 깃털은 이러한 원리를 따릅니다. 즉, 빛이 특정 각도로 비칠 때만 색깔을 드러냅니다.

새로운 유형의 전자종이는 나노 규모의 광학 공학을 통해 기존 디스플레이 기술의 물리적, 광학적 한계를 극복하여 극도로 높은 픽셀 밀도에서도 선명도와 색 정확도를 유지할 수 있게 되었습니다.

레티나 전자종이의 미세한 픽셀에는 산소와 전이 금속인 텅스텐의 화합물인 산화텅스텐(WO₃) 입자가 포함되어 있습니다. 이 물질은 가시광선에 반응하며 다양한 결정상을 나타냅니다. 따라서 광전극, 촉매, 전기변색 소자 및 화학 센서의 핵심 기능성 소재로서 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있습니다.

연구진은 알루미늄과 백금으로 이루어진 반사 기판 위에 WO3 나노디스크를 패턴화했는데, 이 나노디스크 각각은 광학적 '메타픽셀'처럼 작용하여 미 산란과 간섭을 통해 색상을 생성합니다.

연구팀은 WO3 입자의 크기와 상대적 위치를 조절함으로써 다양한 색깔의 빛이 확산되고 반사되는 방식을 제어할 수 있었습니다. 이 빨강, 파랑, 초록색의 픽셀을 생성합니다. 사용할 수 있습니다 다른 색상을 생성하기 위해.

입자를 검게 만들려면 약한 전압을 가하여 입자의 활동을 멈추게 하면 됩니다.

전기변색성 WO₃는 지속적인 전원 공급 없이도 색상 상태를 유지하기 때문에, 이 디스플레이는 비디오 재생 시 약 1.7mW/cm², 정지 이미지 재생 시 약 0.5mW/cm²의 전력만 소비합니다.

한편, 리튬 이온 배터리에 흔히 사용되는 리튬염 중 하나인 1.0M LiClO4 전해질과 500nm의 측면 전극 간격을 결합하여 이온 이동 속도를 높임으로써 40밀리초 만에 색상 변화를 구현할 수 있습니다. 이 속도는 25Hz 이상의 부드러운 비디오 재생에 충분히 빠릅니다.

"이는 화질을 향상시키고 에너지 소비를 줄이면서 크기를 초소형으로 줄일 수 있는 스크린 개발에 있어 중요한 진전입니다. 이 기술은 다음과 같은 점을 필요로 합니다." 미세 조정될 수 있습니다 더 나아가, 우리는 레티나 전자종이가 해당 분야에서 중요한 역할을 할 것이며 궁극적으로 우리 모두에게 영향을 미칠 것이라고 믿습니다."

– 조반니 볼페, 예테보리 대학교 물리학과 교수

연구팀은 레티나 전자종이의 성능을 선보이기 위해 구스타프 클림트의 유명 작품 '키스' 이미지를 1.4 × 1.9밀리미터 크기의 표면에 구현했습니다. 이 크기는 일반 스마트폰의 1/4000에 불과합니다. 

또한 입체적인 나비 이미지를 제작하여 입체감과 정교한 색감을 구현해냈습니다.

정보의 80% 이상이 시각적 신호를 통해 전달되는 시대에, 새로운 전자종이는 우리가 정보와 상호작용하는 방식을 바꿀 잠재력을 지닌 기술적 진보를 의미합니다.

증강현실(AR) 애플리케이션 분야에서 레티나 전자종이는 주변 환경과의 뛰어난 호환성 덕분에 자연스러운 시각적 통합과 상당한 배터리 소형화를 가능하게 합니다. 또한 태양 전지와 결합할 경우 완전 자가 발전 디스플레이의 가능성을 열어줍니다.

높은 잠재력에도 불구하고, 이 기술은 추가적인 개선이 필요하며, 본 연구는 향후 개선 방향으로 색 재현 범위 및 작동 안정성과 수명 최적화, 작동 전압 저하, 내구성을 높이고 에너지 소비를 줄이기 위한 대체 전해질 탐색 등을 제시합니다.

팀은 또한 초고해상도 기술을 통합할 예정입니다. 박막 트랜지스터(TFT) 픽셀을 독립적으로 제어할 수 있는 어레이를 통해 대면적 디스플레이가 가능해졌습니다. 연구진은 "앞으로 이 분야에서 상당한 발전이 있을 것으로 예상하며, 레티나 전자종이의 발전이 궁극적으로 모든 사람에게 영향을 미칠 것이라고 확신합니다."라고 밝혔습니다.

첨단 디스플레이 기술에 투자하기

기술 자이언트 애플사 (AAPL ) 오랫동안 디스플레이 연구 개발에 참여해 왔으며, 인간의 눈과 유사한 망막 해상도에 중점을 두고 있습니다. 

레티나 디스플레이는 애플이 기존 디스플레이보다 화소 밀도가 높은 LCD 및 OLED 디스플레이 시리즈입니다. 이 디스플레이는 초기 아이폰 모델에 처음 적용되었고, 이후 3세대 아이패드에 탑재되었습니다. 대체되었다 네 개의 더 작은 픽셀로. 오늘날, 레티나 디스플레이는 다음과 같은 곳에서 찾을 수 있습니다. 대부분의 애플 제품에서.

애플 레티나 디스플레이의 최소 픽셀 밀도 고쳐지지 않았습니다시청 거리에 따라 달라집니다.

또한 이 회사는 다음 분야에도 막대한 투자를 하고 있습니다. AR 안경 그리고 차세대 저전력 디스플레이를 개발했습니다. 2023년에는 혼합 현실 경험을 제공하는 최초의 웨어러블 헤드셋인 Apple Vision Pro를 출시했습니다. 최근 발표에 따르면 보고서 블룸버그 게시물에서애플은 헤드셋의 전면적인 개편 계획을 잠정 중단했습니다. 

비전 프로의 더 가볍고 저렴한 버전이 곧 출시될 가능성은 낮지만, 애플은 현재 비전 프로에 필적할 만한 스마트 안경 개발에 집중하고 있습니다. 메타 플랫폼의 (META ) 이 회사는 몇 년 안에 스마트 안경을 출시할 계획이며, 렌즈에 디스플레이가 탑재된 모델은 2028년경에 출시될 것으로 예상됩니다.

애플의 주요 제품은 아이폰, 아이패드, 맥, 애플 워치, 에어팟이며, 소프트웨어 플랫폼으로는 iOS, macOS, iPadOS, watchOS, visionOS, tvOS가 있습니다. 또한, 애플의 서비스에는 애플케어, 광고, 클라우드 서비스, 디지털 콘텐츠, 결제 서비스가 포함됩니다.

지난주 애플은 2025년 9월 27일로 마감된 2025 회계연도 4분기 재무 실적을 발표했으며, 애널리스트들의 예상을 뛰어넘었습니다. 회사는 매출이 전년 동기 대비 8% 증가한 102.5억 달러를 기록했다고 밝혔습니다. 이 이 수치에는 아이폰 매출 490억 3천만 달러, 맥 매출 87억 3천만 달러, 아이패드 매출 69억 5천만 달러, 기타 제품 매출 90억 1천만 달러, 서비스 매출 287억 5천만 달러가 포함됩니다.

이 기간 동안 회사는 희석 주당 순이익 1.85달러를 기록했으며, 이는 전년 대비 13% 증가한 수치입니다.

"고객 만족도와 충성도가 매우 높은 덕분에 모든 제품 카테고리와 지역에서 활성 기기 설치 기반이 사상 최고치를 경신했습니다."

애플 최고재무책임자(CFO) 케반 파레크

한편, 애플 CEO 팀 쿡은 내년에 자사의 가상 비서이자 챗봇인 시리의 업데이트 버전을 출시할 예정이라고 밝혔습니다. 그는 또한 오픈AI와의 협력을 통해 ChatGPT를 애플 인텔리전스에 통합하는 등 향후 진행될 파트너십에 대해서도 언급했습니다.

"우리의 의도는 시간이 지남에 따라 더 많은 사람들과 통합될 것입니다.

– 팀 쿡

최근에 따르면 보고서애플은 시리 개편을 지원하기 위해 구글이 개발한 1조 2천억 개의 매개변수를 가진 AI 모델에 연간 약 10억 달러를 지불할 계획입니다.

애플의 시가총액은 4조 달러에 달하며, 현재 주가는 269달러를 약간 웃도는 수준에서 거래되고 있습니다. 이는 연초 대비 7.87% 상승한 수치입니다. 애플의 주당순이익(EPS, 최근 12개월 기준)은 7.43달러, 주가수익비율(PER, 최근 12개월 기준)은 36.37배입니다. 최근 애플은 주당 0.26달러의 현금 배당을 발표했습니다.

맺음말

디스플레이 기술은 인간의 시각과 디지털 세계를 완벽하게 통합한다는 단 하나의 목표를 향해 발전하고 있습니다. 이를 위해 과학자와 엔지니어들은 인지와 투영 사이의 경계를 허물어 왔습니다.

최근 망막용 전자종이 연구는 이러한 측면에서 큰 성과를 거두었습니다. 반사형 디스플레이의 에너지 효율성과 나노 스케일 광학 제어의 정밀도를 결합하여 주변광만으로 사람의 눈 수준의 해상도를 구현했기 때문입니다. 이 획기적인 발전은 지속 가능하고 고화질의 시각 시스템을 위한 새로운 가능성을 열어주며, 연구진이 색 재현 범위, 안정성 및 확장성을 개선함에 따라 망막용 전자종이는 차세대 몰입형 고효율 디스플레이 기술의 기반이 될 수 있을 것입니다.

참고자료

<sup>1. Ashraf, M., Chapiro, A. & Mantiuk, RK 눈의 해상도 한계, 즉 우리가 볼 수 있는 픽셀 수는 몇 개일까요? 자연 커뮤니케이션 16, 9086(2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64679-2
2. Santosa, AS, Chang, YW., Dahlin, AB, Österlund, L., Volpe, G. & Xiong, K. 동영상 촬영 속도 조절이 가능하고 사람이 볼 수 있는 해상도를 가진 컬러 전자 종이. Nature 646, 1089–1095 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09642-3</sup>