1.2㎜ 초박막 메타렌즈로 시야각 100도 구현
2D/3D 전환 디스플레이 구조도. [자료=삼성전자 뉴스룸]
[일요서울ㅣ박대윤 기자] 스마트폰 화면에 렌즈를 붙이는 것만으로 안경 없이 2차원과 3차원을 오갈 수 있는 차세대 디스플레이 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
23일 과학기술정보통신부는 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀이 ‘메타표면 렌티큘러 렌즈 기반 2D·3D 전환 디스플레이’ 기술을 공동 개발했다고 밝혔다.
이번 기술은 나노미터 크기의 구조체를 기판 위에 배열해 빛을 정밀하게 제어하는 메타렌즈를 활용한 것으로 연구팀은 이를 통해 한 기기 안에서 2D와 3D 화면을 자유롭게 바꿀 수 있는 디스플레이를 구현했다.
기존에도 무안경 3D 디스플레이는 있었으나 상용화에 뚜렷한 한계가 있었다. 시야각이 15도 안팎에 그쳐 사실상 정면의 한 사람만 화면을 제대로 볼 수 있었고 일반 2D 화면에서는 화질 저하도 반복됐다.
또 사용자의 위치를 실시간으로 파악하는 시선추적기까지 필요해 범용 기기에 적합하지 않다는 문제도 있었다. 이 때문에 3D 디스플레이는 안경을 착용하는 방식이 주로 사용되고 있었다.
편광 조절기 전원 상태에 따라 메타렌즈가 고해상도 2D 모드 또는 입체 3D 모드로 전환되는 광학 원리 구조도. [자료=삼성전자 뉴스룸]
연구팀은 빛의 ‘편광’을 조절하는 방식으로 이 문제를 해결했다고 전했다. 전압 공급 상태에 따라 메타렌즈의 광학 특성이 달라지도록 설계해 2D 모드와 3D 모드를 전환할 수 있도록 한 것이다.
이에 따라 텍스트를 읽거나 웹 검색을 할 때는 고해상도 2D 모드로 쓰고 영상 콘텐츠를 감상할 때는 몰입형 3D 모드로 바꿔 사용할 수 있게 됐다.
또 두께와 시야각의 동시 개선했다. 연구팀이 개발한 메타렌즈는 두께가 1.2㎜에 불과하지만 기존 렌티큘러 렌즈와 달리 3D 시야각을 15도에서 100도까지 넓혔다. 여러 명이 다른 위치에서 동시에 3D 화면을 볼 수 있게 된 것이다.
특히 이번 메타렌즈는 스마트폰이나 태블릿 PC 화면에 붙이는 것만으로도 성능을 구현할 수 있어 기존 기기와의 호환성도 매우 뛰어나 상용화 가능성이 높다. 연구팀은 가로세로 50㎜ 크기의 대면적 메타렌즈를 제작한 뒤 이를 OLED 디스플레이 패널에 적용해 성능을 검증했다고 발표했다.
이 기술은 스마트폰과 태블릿 등 모바일 기기는 물론 의료영상 시스템과 상업용 디스플레이 등 다양한 산업에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 기술은 네이처에 ‘Switchable 2D–3D display through a metasurface lenticular lens’ 논문으로 게재됐다.
이로써 노준석 포항공대 교수는 지난주 발표된 메타렌즈 대량생산 공정 기술 연구에 이어 2주 연속 네이처 게재 성과를 냈다. 두 논문은 4월 30일 발행되는 네이처 같은 호에 동시에 실릴 예정이다.
노준석 포항공대 교수는 “이번 연구는 연구실에 머물던 메타표면 기술이 실제 디스플레이에 적용될 수 있음을 보여준 성과”라며 “실용화되면 모바일 기기에서 2D 화면으로 작업하다가 버튼 하나로 3D 영상으로 전환하는 것이 가능해진다”고 밝혔다.
이어 “같은 호에 실리는 메타표면 대량생산 공정 연구와 맞물릴 경우 상용화도 더 이상 먼 미래의 이야기가 아니다”라고 덧붙였다.
과기정통부 김성수 연구개발정책실장은 “노준석 교수는 과기정통부 기초연구 사업으로 10년 이상 신진·중견 연구를 수행해 온 연구자”라며 “앞으로도 기초연구에 대한 꾸준한 투자로 연구자들이 세계 무대에서 마음껏 활약할 수 있도록 지원하겠다”고 전했다.
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