안경없이 '2D↔3D' 자유자재...전환형 '메타렌즈' 세계최초 개발

포항공대 노준석 교수팀과 삼성전자 공동개발

스마트폰 화면에 붙이기만 해도 3D 구현 가능

▲5cm 정사각형 크기로 제작된 메타렌즈 실물(좌)과 300nm 간격으로 정밀하게 배열돼 있는 구조체의 모습. 각 나노 구조체는 회전 각도(φ)에 따라 빛의 위상을 제어하는 기하학적 위상 원리를 활용해, 편광 상태에 따른 렌즈 전환 기능을 구현한다. (자료=포항공대)

스마트폰에 붙이기만 하면 안경없이도 2차원(2D)와 3차원(3D)를 자유자재로 전환할 수 있는 차세대 디스플레이 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.

포항공과대학교 노준석 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀은 차세대 광학소자인 '메타렌즈'를 활용해, 하나의 렌즈로 2D와 3D를 자유자재로 전환하는 기술을 공동개발했다고 23일 밝혔다.

메타렌즈는 나노미터 크기의 인공나노 구조체를 기판 위에 배열해 빛의 위상·진폭·편광을 정밀하게 제어함으로써 렌즈의 기능을 구현하는 초박형 평면 광학소자를 말한다.

가상·증강현실(VR·AR) 및 의료영상 등의 분야에서 3D 콘텐츠 수요가 증가한다고 하지만 여전히 텍스트나 영상 등 2D 콘텐츠 소비가 압도적으로 많다. 따라서 하나의 기기에서 2D와 3D를 동시에 볼 수 있는 기술은 큰 주목을 받았다.

기존에도 안경없이 입체감을 구현하는 기술이 있었지만 상용화에는 큰 장벽이 있었다. 무엇보다 화면을 볼 수 있는 시야각이 15도 내외로 매우 좁아 정면의 단 한 명만 감상할 수 있다는 게 한계였다. 또 기기 자체가 3D 전용으로 설계된 탓에 일반적인 2D화면을 볼 때 화질이 현저히 떨어지는 고질적인 단점이 있었다.

연구팀은 이같은 문제를 1.2mm 초박형 구조로 설계된 '메타렌즈'로 해결했다. 일반적인 렌즈는 한번 제작되면 그 특성을 바꿀 수 없지만 '메타렌즈'는 전압 공급에 따라 빛의 굴절 방향을 자유자재로 조절한다.

전압이 없을 때는 오목렌즈로 작동해 고해상도 2D화면을 왜곡없이 보여주다가, 전압이 공급되면 볼록렌즈로 작동하며 기존 기술보다 시야각이 6배 이상 넓은 100도의 '초광시야각'으로 입체 영상을 구현한다. 이를 통해 여러 사람이 다양한 위치에서 동시에 몰입감 넘치는 3D 영상을 즐길 수 있게 된 것이다.

특히 이 '메타렌즈'를 스마트폰이나 태블릿PC 화면에 스티커처럼 붙이기만 해도 2D와 3D 화면이 자유롭게 전환된다. 모바일 기기는 물론 정밀의료영상 시스템이나 대형 옥외광고판에도 적용할 수 있다.

일반적으로 기초연구 성과가 실제 산업현장에 적용되기까지는 상당한 시간차가 발생하지만, 노준석 교수는 자신의 두 가지 핵심 성과를 하나로 묶어 원천 기술 개발과 양산 가능성 검증을 동시에 마침으로써 그 간극을 혁신적으로 단축했다.

이러한 성과를 인정받아 노준석 교수는 2주 연속으로 네이처지에 이름을 올리는 기염을 토했다. 노준석 교수는 "이번 연구는 메타렌즈라는 초박형 나노광학 소자가 차세대 디스플레이 플랫폼으로서 실용적인 가능성을 지님을 실증한 성과"라며 "스마트폰부터 산업용 광고판까지 폭넓은 응용 가능성을 지닌 디스플레이 원천 기술 확보에 기여할 것"이라고 밝혔다.

과기정통부 지원사업과 미래개척융합과학기술개발사업 등의 지원을 받아 진행된 이번 연구결과는 국제학술지

'네이처(Nature)' 4월 23일자

에 게재됐다.