기존 3D 디스플레이 한계, ‘편광’ 제어하는 ‘메타렌즈’2로 풀어
1.2mm 렌즈로 두께 개선·시야각 100도 확보.... 여러명이 3D 동시 시청 가능
보는 방향에 따라 다른 정보가 표현되는 라이트 필드 디스플레이의 원리(사진=삼성전자)
삼성전자가 포스텍(POSTECH)과 2D·3D 화면을 자유롭게 전환할 수 있는 차세대 디스플레이 기술을 개발했다.
삼성전자는 23일 뉴스룸을 통해 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀과 포스텍 나노스케일 포토닉스 & 통합생산 연구실이 산학협력으로 진행한 ‘메타표면 렌티큘러 렌즈 기반 2D·3D 전환 디스플레이’ 연구 논문이 세계적인 최고 권위 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다고 공개했디.
개발한 기술은 나노 단위의 미세한 구조물이 배열된 초박형3 렌즈(메타표면)를 이용해 우리가 보는 화면을 평면(2D)과 입체(3D)로 자유롭게 바꿀 수 있는 디스플레이이다.
메타표면은 기존 곡면 렌즈 대비 두께를 크게 줄이면서도 복잡한 광학 기능을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이와 카메라 시스템 등에서 활발히 연구되는 기술이다.
이 기술은 서로 다른 방향에서 들어오는 빛을 동시에 전달해, 안경 없이도 실제 사물을 보는 듯한 입체감을 제공하는 ‘라이트 필드 디스플레이’를 한 단계 진화시킨 결과물이다.
기존 방식과 개선 방식 비교. 렌즈 두께를 획기적으로 줄이면서도 3D 시야각을 기존 15도에서 100도로 넓혀 여러 명이 여러 위치/각도에서 3D 영상을 시청할 수 있다.
기존 라이트 필드 디스플레이는 렌즈가 두껍고 3D 시야각이 15도 정도로 좁을 뿐 아니라, 영상 해상도가 떨어져 사용에 제약이 있었지만 연구팀은 빛이 특정 방향으로 진동하며 나아가는 성질인 ‘편광(Polarization)’을 이용해 이 문제를 해결했다.
빛이 나아가는 방향(편광)을 바꿔주기만 하면, 렌즈의 초점이 변하는 특수 나노 구조체인 ‘메타표면 렌티큘러 렌즈(MLL)’를 독자적으로 설계한 것이다.
이번 연구는 단일 기기 내에서 전압을 가하는 것만으로 2D, 3D 모드를 전환할 수 있는 메타 광학 시스템을 세계 최초로 증명했다.
이 기술 개발로 텍스트를 읽거나 일반 작업을 할 때는 ‘고해상도 2D 모드’를, 영상을 시청할 때는 ‘다시점(Multi-view)을 지원하는 몰입형 3D 모드’를 선택적으로 활용할 수 있게 된 것이다.
가로세로 50mm(25cm²) 크기로 제작된 메타표면 렌티큘러 렌즈 실물(왼쪽)과 메타표면의 나노 구조체가 렌티큘러 렌즈의 기능으로 작동할 수 있도록 배열되어 있는 모습(오른쪽)
이번 연구에서 특히 눈에 띄는 점은 광학 기기의 ‘두께’와 ‘시야각’을 혁신적으로 개선했다는 점이다.
연구팀이 개발한 메타표면 렌티큘러 렌즈는 높은 개구수(Numerical Aperture)를 갖도록 설계돼 두께를 1.2mm로 줄이면서도 시야각이 100도까지 제공한다.
이에 따라 3D 영상을 여러명이 동시 시청할 수 있다.
연구팀은 가로세로 50mm, 즉 25㎠ 넓이의 대면적 메타렌즈를 성공적으로 제작하고, 이를 모바일 시장의 주류인 OLED 디스플레이 패널에 적용 검증하며 기술의 완성도도 높였다.
이 기술은 스마트폰, 태블릿 등 전자기기는 물론, 상업용 디스플레이 시스템으로까지 확장 가능성도 확인했다.
삼성전자는 “이번 연구를 통해 차세대 메타 광학 소자 및 디스플레이 원천 기술 리더십을 확고히 했다”며 “앞으로도 한계를 뛰어넘는 혁신 기술 연구를 지속해 나갈 계획”이라고 말했다.
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