2D·3D 전환 디스플레이 구조도. (자료=삼성전자)
삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀과 포항공과대학교(포스텍) 나노스케일 포토닉스·통합생산 연구실이 2차원(2D)·3차원(3D) 화면을 자유롭게 전환할 수 있는 디스플레이 기술을 개발했다.
삼성전자는 포스텍과 진행한 '메타표면 렌티큘러 렌즈 기반 2D·3D 전환 디스플레이' 연구 논문이 국제 학술지 네이처에 게재됐다고 23일 밝혔다.
이 디스플레이는 나노 단위의 미세한 구조물이 배열된 초박형 렌즈(메타표면)를 이용해 2D와 3D로 자유롭게 바꿀 수 있다.
메타표면은 기존 곡면 렌즈 대비 두께를 크게 줄이면서도 복잡한 광학 기능을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이와 카메라 시스템 등에서 활발히 연구되고 있다. 다른 방향에서 들어오는 빛을 동시에 전달해, 안경 없이도 실제 사물을 보는 듯한 입체감을 제공하는 라이트 필드 디스플레이를 발전시킨 것이다.
기존 라이트 필드 디스플레이는 엔터테인먼트, 증강현실(AR), 의료 영상 등 다양한 분야의 차세대 기술로 주목받았으나 범용적인 사용에는 제약이 있었다. 렌즈가 두껍고 3D 시야각이 15도 정도로 좁다. 영상 해상도가 떨어지고 사용자의 위치를 실시간으로 확인하는 시선 추적기도 필요했다.
연구팀은 편광을 이용해 이 문제를 해결했다. 빛이 나아가는 방향(편광)을 바꿔 렌즈의 초점이 변하는 특수 나노 구조체인 메타표면 렌티큘러 렌즈(MLL)를 자체 설계했다. 전압을 가하는 것만으로 2D, 3D 모드를 전환할 수 있다.
텍스트를 읽거나 일반 작업을 할 때는 고해상도 2D 모드, 영상을 시청할 때는 다시점을 지원하는 몰입형 3D 모드를 선택적으로 활용할 수 있다.
메타렌즈는 디스플레이 앞 편광 조절기 상태에 따라 오목렌즈나 볼록렌즈로 전환된다. 편광 조절기가 작동하면 메타렌즈가 오목렌즈로 동작해 기존의 볼록 렌즈 효과를 서로 상쇄시킨다. 볼록렌즈가 빛을 안으로 모아주는 힘을 오목렌즈가 밖으로 퍼뜨려, 두 렌즈의 반대되는 힘이 합쳐져 0의 상태가 돼 빛이 직진한다.
연구팀이 개발한 메타표면 렌티큘러 렌즈는 높은 개구수를 갖도록 설계됐다. 1.2밀리미터(mm)의 두께를 유지하면서도 100도에 달하는 초광시야각을 제공한다. 나노 단위의 설계로 부피가 큰 기존 광학 장비의 물리적 한계를 극복했다.
연구팀은 25제곱센티미터(cm²) 넓이의 대면적 메타렌즈를 제작하고, 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이 패널에 적용 검증했다. 향후 스마트폰, 태블릿, 상업용 디스플레이 시스템까지 적용될 전망이다.
삼성전자는 "차세대 메타 광학 소자 및 디스플레이 원천 기술 리더십으로 한계를 뛰어넘는 혁신 기술 연구를 지속해 나갈 것"이라고 밝혔다.
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