삼성전자, 포스텍과 2D·3D 전환 디스플레이 개발…'네이처' 게재

삼성전자는 포스텍과 산학협력으로 진행한 ‘메타표면 렌티큘러 렌즈 기반 2D·3D 전환 디스플레이’ 연구 논문1이 세계적인 최고 권위 학술지 ‘네이처’에 게재됐다고 23일 밝혔다.

‘메타표면 렌티큘러 렌즈 기반 2D·3D 전환 디스플레이’란 나노 단위의 미세한 구조물이 배열된 초박형3 렌즈(메타표면)를 이용해 우리가 보는 화면을 평면(2D)과 입체(3D)로 자유롭게 바꿀 수 있는 디스플레이를 뜻한다. 메타표면은 기존 곡면 렌즈 대비 두께를 크게 줄이면서도 복잡한 광학 기능을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이와 카메라 시스템 등에서 활발히 연구되는 기술이다.

이 기술은 서로 다른 방향에서 들어오는 빛을 동시에 전달해 안경 없이도 실제 사물을 보는 듯한 입체감을 제공하는 ‘라이트 필드 디스플레이’를 한 단계 진화시킨 결과물이다. 기존 라이트 필드 디스플레이는 다양한 분야의 차세대 기술로 주목받아 왔지만 렌즈가 두껍고 시야각이 좁아 범용적인 사용에는 제약이 있었다.

연구팀은 빛이 특정 방향으로 진동하며 나아가는 성질인 ‘편광’을 이용해 이 문제를 해결했다. 빛이 나아가는 방향(편광)을 바꿔주기만 하면 렌즈의 초점이 변하는 특수 나노 구조체인 ‘메타표면 렌티큘러 렌즈(MLL)’를 독자적으로 설계한 것이다.
이번 연구는 단일 기기 내에서 전압을 가하는 것만으로 2D, 3D 모드를 전환할 수 있는 메타 광학 시스템을 세계 최초로 증명했다. 텍스트를 읽거나 일반 작업을 할 때는 ‘고해상도 2D 모드’를, 영상을 시청할 때는 ‘다시점을 지원하는 몰입형 3D 모드’를 선택적으로 활용할 수 있게 된 것이다.

메타렌즈를 이용할 경우 고해상도의 2차원 영상을 또렷하게 전달할 수 있게 된다. 텍스트를 읽거나 웹 검색 등에 유리하다. 반면 3D 영화를 즐길 때는(편광 조절기 Off) 메타렌즈가 ‘볼록렌즈’로 전환해 3차원 입체 효과와 시야각을 극대화한다. 이를 통해 2D의 선명함과 3D의 입체감을 동시에 제공할 수 있다.

연구팀은 이번 연구로 광학 기기의 ‘두께’와 ‘시야각’을 혁신적으로 개선했다는 평가를 받는다. 컨셉 검증을 넘어 실제 상용화에 매우 근접했다는 점에서도 의미가 크다. 연구팀은 가로세로 50mm, 즉 25cm² 넓이의 대면적 메타렌즈를 성공적으로 제작한데 이어 모바일 시장의 주류인 OLED 디스플레이 패널에 적용 검증하며 기술의 완성도를 높였다.

향후 이 기술은 스마트폰, 태블릿 등 전자기기부터 상업용 디스플레이 시스템까지 차세대 디스플레이 시장의 패러다임을 바꿀 핵심 솔루션이 될 것으로 기대된다.

네이처 논문 게재를 통해 차세대 메타 광학 소자 및 디스플레이 원천 기술 리더십을 확고히 한 삼성전자는 앞으로도 한계를 뛰어넘는 혁신 기술 연구를 지속해 나갈 계획이다.

장용석 글로벌이코노믹 기자 jangys@g-enews.com