보는 방향에 따라 다른 정보가 표현되는 라이트 필드 디스플레이의 원리 (사진=삼성전자 뉴스룸)
[이코노뉴스=최아람 기자] 삼성전자가 포스텍(POSTECH)과 공동 연구한 차세대 디스플레이 기술 논문이 세계적 학술지 Nature에 게재됐다.
삼성전자는 뉴스룸을 통해 ‘메타표면 렌티큘러 렌즈 기반 2D·3D 전환 디스플레이’ 연구 논문이 네이처에 실렸다고 밝혔다.
이번 연구는 나노 단위 구조체를 활용한 메타표면 렌즈 기술을 기반으로, 하나의 디스플레이에서 2D와 3D 화면을 자유롭게 전환할 수 있도록 구현한 것이 특징이다.
메타표면은 빛의 경로와 굴절을 정밀하게 제어하는 초미세 구조체로, 기존 광학 렌즈보다 두께를 줄이면서도 다양한 광학 기능을 구현할 수 있는 기술이다.
연구팀은 빛의 편광 특성을 활용해 렌즈 초점을 조절하는 방식을 적용했다.
편광 조절기 전원 상태에 따라 메타렌즈가 고해상도 2D 모드 또는 입체 3D 모드로 전환되는 광학 원리 구조도
이를 통해 사용자가 사용 환경에 따라 평면 화면과 입체 화면을 선택적으로 구현할 수 있는 시스템을 설계했다. 텍스트나 일반 작업 환경에서는 고해상도 2D 화면을, 영상 시청 환경에서는 다중 시점을 지원하는 3D 화면을 구현하는 방식이다.
특히 메타표면 렌티큘러 렌즈는 두께를 1.2mm 수준으로 줄이면서도 약 100도의 시야각을 구현했다.
이는 기존 라이트필드 디스플레이의 평균 시야각인 약 15도 대비 크게 확대된 수준이다.
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 3D 디스플레이는 두꺼운 광학 렌즈와 제한적인 시야각, 낮은 해상도 등의 한계로 상용화 범위가 제한적이었다. 특히 시선 추적 장치가 필요하거나 특정 위치에서만 입체 효과를 체감할 수 있어 범용 디스플레이로 확산되는 데 제약이 있었다.
그렇기 때문에 초광시야각 구현으로 다수가 동시에 입체 영상을 시청할 수 있는 환경을 조성했다. 이제 3D 영상을 혼자가 아닌 여럿이서 다 같이 시청할 수 있게 됐다.
또 얇은 구조를 유지하면서 광학 성능을 확보했다는 점에서 모바일 기기 탑재 가능성도 제기된다.
가로세로 50mm(25cm²) 크기로 제작된 메타표면 렌티큘러 렌즈 실물(왼쪽)과 메타표면의 나노 구조체가 렌티큘러 렌즈의 기능으로 작동할 수 있도록 배열되어 있는 모습(오른쪽)
연구팀은 실제 OLED 패널과 메타렌즈를 결합해 기술 검증도 진행했다. 연구팀은 가로세로 50mm, 즉 25cm² 넓이의 대면적 메타렌즈를 성공적으로 제작하고, 이를 모바일 시장의 주류인 OLED 디스플레이 패널에 적용 검증했다.
디스플레이 산업은 최근 고해상도 경쟁을 넘어 ‘공간 경험’과 ‘몰입감’ 구현으로 경쟁 축이 이동하는 추세다.
특히 무안경 3D, 증강현실(AR), 혼합현실(MR) 기술은 차세대 디스플레이 시장의 핵심 분야로 꼽히고 있다. 삼성전자와 포스텍의 이번 연구는 메타광학 기술을 실제 디스플레이 구조에 접목했다는 점에서 차세대 입체영상 기술 상용화 가능성을 높였다는 평가다.
또 메타광학 기반 기술이 향후 스마트폰, 태블릿, 차량용 디스플레이, 의료 영상 시스템 등 다양한 산업군으로 확장될 가능성도 제기되고 있다.
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