삼성전자·포스텍, 메타렌즈 기반 2D·3D 전환 기술 세계 최초 구현

보는 방향에 따라 다른 정보가 표현되는 라이트 필드 디스플레이의 원리 [사진: 삼성전자]

[디지털투데이 석대건 기자] 삼성전자와 포스텍이 전압 제어만으로 2D·3D 화면을 전환하는 메타표면 디스플레이 기술을 세계 최초로 구현했다고 23일 밝혔다. 두 기관은 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀과 포스텍 나노스케일 포토닉스 & 통합생산 연구실이 산학협력으로 연구를 진행했다. 이 연구 논문은 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.

이번 기술은 나노 단위 구조물이 배열된 초박형 렌즈, 즉 '메타표면 렌티큘러 렌즈(MLL)'를 활용한다. 빛의 편광 방향을 조절하는 방식으로 렌즈의 초점 특성을 바꿔 2D와 3D 모드를 오간다.

기존 라이트 필드 디스플레이는 안경 없이 입체 영상을 구현할 수 있어 AR, 의료 영상, 엔터테인먼트 등 분야에서 연구돼 왔다. 다만 렌즈 두께가 두껍고, 3D 시야각이 약 15도로 좁았다. 영상 해상도 저하, 시선 추적기 필요 등 실용화의 제약도 컸다. 이번 연구는 편광 제어 방식의 메타렌즈를 독자 설계해 이러한 한계를 해소했다.

작동 원리는 디스플레이 앞에 위치한 편광 조절기가 켜지면, 메타렌즈는 오목렌즈로 전환돼 기존 볼록렌즈의 굴절력을 상쇄한다. 두 렌즈의 반대 힘이 합쳐져 광학적으로 '0'의 상태가 되고, 빛은 평판 유리를 통과하듯 직진한다. 결과적으로 고해상도 2D 영상이 구현된다. 반대로 편광 조절기를 끄면 메타렌즈는 볼록렌즈로 전환돼, 기존 렌즈와 함께 더 강한 굴절력을 발휘하며 3D 입체감을 높인다.

이번 연구에서 개발된 메타표면 렌티큘러 렌즈는 두께 1.2mm를 유지하면서도 시야각 100도를 달성했다. 기존 15도 대비 6배 이상 확장된 수치다. 높은 개구수(Numerical Aperture) 설계를 채택해 광학 기기의 부피를 줄이면서도 광시야각을 확보했다. 시야각이 넓어짐으로써 다수가 동시에 3D 영상을 시청할 수 있게 됐다.

연구팀은 가로세로 50mm(25cm²) 크기의 대면적 메타렌즈를 제작하고, 이를 모바일 시장 주류인 OLED 디스플레이 패널에 적용해 기술 완성도를 검증했다. 컨셉 수준을 넘어 실제 패널 통합 가능성을 확인한 것이다. 향후 스마트폰, 태블릿을 비롯한 소비자 전자기기와 상업용 디스플레이 시스템에 적용이 검토될 수 있다고 회사는 전했다.