전압 조절로 2D·3D 화면 자유롭게 넘나드는 기술
두께 1.2㎜ 초박형 메타렌즈로 시야각 100도 확보
모바일용 OLED 패널에 결합해 상용화 가능성 검증
보는 방향에 따라 다른 정보가 표현되는 라이트 필드 디스플레이의 원리 [삼성전자 제공]
삼성전자와 포스텍(POSTECH) 산학 협력 연구팀이 하나의 화면에서 평면(2D)과 입체(3D)를 자유롭게 오가는 차세대 디스플레이 기술을 구현했다. 해당 연구 성과를 담은 논문은 세계 최고 권위의 과학 학술지 '네이처'에 실렸다.
삼성전자는 포스텍 나노스케일 포토닉스 통합생산 연구실과 공동으로 '메타표면 렌티큘러 렌즈(MLL)' 기반의 2D·3D 전환 디스플레이를 개발했다고 23일 밝혔다.
이는 안경을 쓰지 않고도 사물을 입체적으로 볼 수 있는 라이트 필드 디스플레이 기술을 한 단계 발전시킨 결과물이다. 나노미터 단위의 미세한 구조물을 배열한 초박형 메타표면 렌즈를 활용해 빛이 나아가는 방향인 편광을 제어하는 원리를 적용했다.
그동안 의료 영상이나 증강 현실(AR) 분야에서 3D 디스플레이가 주목받았지만, 대중화에는 제약이 많았다. 렌즈 부피가 두껍고 3D 시야각이 15도 안팎으로 좁았기 때문이다. 화면 해상도가 떨어지는 데다 사용자 위치를 실시간으로 파악하는 시선 추적 장치가 필요하다는 점도 한계로 지적됐다.
연구팀은 디스플레이 앞단에 편광 조절기를 부착해 물리적 제약을 풀어냈다. 단일 기기 안에서 전압을 조절하는 것만으로 오목렌즈와 볼록렌즈의 특성을 번갈아 구현하는 메타 광학 시스템을 증명한 것이다.
2D/3D 전환 디스플레이 구조도 [삼성전자 제공]
편광 조절기를 작동시키면 메타렌즈가 오목렌즈로 변해 기존 렌즈의 볼록한 성질을 상쇄한다. 두 렌즈의 반대되는 힘이 합쳐지면서 빛이 평평한 유리를 통과하듯 직진하게 되며 이를 통해 텍스트 읽기나 웹 검색에 적합한 고해상도 2D 화면을 송출한다.
반대로 영화 등을 시청할 때 편광 조절기를 끄면 메타렌즈가 다시 볼록렌즈로 기능한다. 렌즈 고유의 볼록한 성질이 한층 강화되면서 3차원 입체 효과를 극대화하는 다중 시점의 3D 모드로 전환된다.
특히 연구팀은 높은 개구수를 확보할 수 있도록 렌즈를 설계해 화질과 부피 문제를 동시에 해결했다. 광학 렌즈의 두께를 1.2㎜ 수준으로 얇게 유지하면서도 시야각은 100도에 달하도록 구현했다. 기존 15도 수준이었던 시야각을 6배 이상 넓히면서, 혼자가 아닌 여러 사람이 동시에 넓은 각도에서 3D 영상을 시청할 수 있게 됐다.
상용화를 위한 기술 검증 단계도 통과했다. 연구팀은 가로와 세로 각각 50㎜, 총면적 25㎝²에 달하는 대면적 메타렌즈를 성공적으로 제작했다. 이를 모바일 시장에서 널리 쓰이는 유기발광다이오드(OLED) 패널에 부착해 2D와 3D 화면이 정상적으로 전환되는 것을 확인했다.
삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀이 참여한 이번 연구 결과는 앞으로 스마트폰과 태블릿 등 개인용 전자기기를 넘어 상업용 디스플레이 시스템 등 차세대 패널 시장 전반에 활용될 것으로 기대된다.
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