삼성전자가 포스텍과의 산학협력으로 진행한 '메타표면 렌티큘러 렌즈 기반 2D·3D 전환 디스플레이' 연구 논문이 세계 최고 권위 학술지 네이처에 게재됐다고 23일 밝혔다.
연구는 나노 단위의 미세한 구조물이 배열된 초박형 렌즈(메타표면)를 이용해 화면을 평면(2D)과 입체(3D)로 자유롭게 전환할 수 있는 디스플레이를 구현한 것이 핵심이다.
전압을 가하는 것만으로 2D·3D 모드를 전환할 수 있는 메타 광학 시스템을 세계 최초로 증명했다는 점에서 의미가 크다. 텍스트를 읽거나 일반 작업을 할 때는 고해상도 2D 모드를, 영상을 시청할 때는 다시점을 지원하는 몰입형 3D 모드를 선택적으로 활용할 수 있다.
보는 방향에 따라 다른 정보가 표현되는 라이트 필드 디스플레이의 원리. 사진=삼성전자
기존 라이트 필드 디스플레이는 엔터테인먼트·AR·의료 영상 등 차세대 기술로 주목받았으나 범용 사용에 제약이 컸다. 렌즈가 두껍고 3D 시야각이 15도에 불과해 좁고, 영상 해상도가 떨어지는 데다 시선 추적기가 필요했기 때문이다.
연구팀은 빛이 특정 방향으로 진동하며 나아가는 성질인 '편광'을 활용해 이 문제를 해결했다. 빛의 방향(편광)을 바꿔주기만 하면 렌즈의 초점이 변하는 특수 나노 구조체 '메타표면 렌티큘러 렌즈(MLL)'를 독자적으로 설계한 것이다.
작동 원리는 편광 조절기가 켜지면 메타렌즈는 오목렌즈로 동작해 기존 볼록렌즈의 효과를 상쇄시키고, 빛이 평평한 유리창을 통과한 것처럼 직진하게 된다. 이를 통해 고해상도 2D 영상을 또렷하게 전달한다. 반대로 편광 조절기가 꺼지면 메타렌즈가 볼록렌즈로 전환돼 기존 볼록렌즈와 함께 3차원 입체 효과와 시야각을 극대화한다.
2D/3D 전환 디스플레이 구조도. 사진=삼성전자
연구에서 특히 주목할 점은 두께와 시야각의 혁신적 개선이다. 연구팀이 개발한 메타표면 렌티큘러 렌즈는 단 1.2mm의 얇은 두께를 유지하면서도 100도에 달하는 초광시야각을 제공한다. 기존 15도에서 6배 이상 확장한 것으로, 3D 영상을 혼자가 아닌 여럿이 함께 시청하는 것이 가능해졌다. 나노 단위의 설계로 부피가 큰 기존 광학 장비의 물리적 한계를 극복한 것이다.
상용화 가능성도 한층 높아졌다. 연구팀은 가로세로 50mm, 즉 25㎠ 넓이의 대면적 메타렌즈 제작에 성공하고 이를 모바일 시장의 주류인 OLED 디스플레이 패널에 직접 적용해 검증했다. 스마트폰·태블릿 등 소비자 전자기기는 물론 상업용 디스플레이 시스템까지 차세대 디스플레이 시장의 패러다임을 바꿀 핵심 솔루션이 될 것으로 기대를 모으고 있다.
삼성전자는 네이처 논문 게재를 통해 차세대 메타 광학 소자 및 디스플레이 원천 기술 리더십을 확고히 하고, 한계를 뛰어넘는 혁신 기술 연구를 지속해 나갈 계획이다.
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