안경없이 2D와 3D 자유롭게···전환형 메타렌즈 개발

[이데일리 강민구 기자] 포항공과대학교(POSTECH)와 삼성리서치 연구진이 스마트폰에 붙이기만 하면 안경 없이도 2D와 3D를 자유자재로 전환할 수 있는 차세대 디스플레이 기술을 개발했다.

제작한 메타렌즈 실물(왼쪽)과 메타표면의 나노 구조가 렌즈의 기능으로 작동하도록 배열된 모습(오른쪽).(자료=과학기술정보통신부)

노준석 POSTECH 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀이 차세대 광학소자인 ‘메타렌즈’를 활용해, 하나의 렌즈로 2D와 3D를 자유자재로 전환하는 기술을 공동 개발하고, 연구 결과를 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 23일 게재했다.

연구팀이 주목한 메타렌즈는 나노미터 크기의 인공 나노 구조체를 기판 위에 배열해 빛의 위상·진폭·편광을 정밀하게 제어해 렌즈의 기능을 구현하는 초박형 평면 광학 소자이다.

최근 가상·증강현실(VR·AR)과 의료영상 등 3D 콘텐츠의 수요가 급증하지만, 여전히 텍스트 열람이나 일반 영상 시청 같은 2D 콘텐츠 소비가 지배적이다. 이에 하나의 기기에서 두 방식을 자유롭게 전환할 수 있는 2D-3D 전환 디스플레이 기술이 주목을 받아왔다.

기존에도 안경 없이 입체감을 구현하는 기술이 있었지만 실제 상용화에 장벽이 있었다. 우선 화면을 볼 수 있는 시야각이 15도 내외로 좁아 정면의 단 한 명만 감상할 수 있는 한계가 있었다. 기기 자체가 3D 전용으로 설계된 탓에 일반적인 2D화면을 볼 때 화질이 떨어지는 단점도 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 1.2mm의 초박형 구조로 설계된 ‘메타렌즈’로 해결하였다. 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 왜곡 없이 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 즐기도록 했다.

이 ‘메타렌즈’를 스마트폰이나 태블릿PC 화면에 스티커처럼 붙이는 것만으로도 성능이 구현돼 기존 기기와의 호환성이 우수하다.

연구를 주도한 노준석 교수는 조규진·김인기 성균관대 교수와 네이처지에 ‘메타렌즈 대량 생산 공정 기술’도 추가로 발표해 상용화 가능성을 제시했다. 자신의 두 가지 핵심 성과를 하나로 묶어 원천 기술 개발과 양산 가능성 검증을 동시에 보여준 것이다.

노준석 교수는 “메타렌즈라는 초박형 나노광학 소자가 차세대 디스플레이 플랫폼으로서 실용적인 가능성을 지님을 실증한 성과”라며 “스마트폰부터 산업용 광고판까지 폭넓은 응용 가능성을 지닌 디스플레이 원천 기술 확보에 기여하겠다”고 밝혔다.

노준석 POSTECH 교수.(사진=과학기술정보통신부)