안경 없이 2D와 3D 자유자재로 보는 메타렌즈 개발

노준석 포스텍 교수팀

편광 조절기 상태에 따라 메타렌즈와 굴절렌즈의 조합이 달라지며 하나의 디스플레이에서 고해상도 2D 영상과 입체 3D 영상을 전환할 수 있음을 보여주는 개념도이다. 편광 조절기가 켜진(On) 상태에서는 메타렌즈가 오목렌즈로 작동해 렌즈 광력을 상쇄, 선명한 2D 영상을 제공한다. 반대로 꺼진(Off) 상태에서는 메타렌즈가 볼록렌즈로 전환돼 렌티큘러 렌즈와 결합, 100도 광시야각의 3D 입체 영상을 구현한다.(사진=포스텍 제공)

스마트폰에 붙이기만 하면 안경 없이도 2D와 3D를 자유자재로 전환할 수 있는 차세대 디스플레이 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

과학기술정보통신부(과기정통부)는 포스텍 노준석 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀이 차세대 광학소자인 메타렌즈를 활용해 하나의 렌즈로 2D와 3D를 자유자재로 전환하는 기술을 공동 개발했다고 23일 밝혔다.

연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 '네이처(Nature)' 지에 게재됐다.

최근 가상·증강현실 및 의료영상 등 3D 콘텐츠의 수요가 급증하고 있지만 여전히 텍스트 열람이나 일반 영상 시청 같은 2D 콘텐츠 소비가 지배적이다.

따라서 하나의 기기에서 두 방식을 자유롭게 전환할 수 있는 2D-3D 전환 디스플레이 기술은 상업적으로 큰 주목을 받아왔다.

기존에도 안경 없이 입체감을 구현하는 기술은 존재했으나 실제 상용화에는 큰 장벽이 있었다. 우선 화면을 볼 수 있는 시야각이 15도 내외로 매우 좁아 정면의 단 한 명만 감상할 수 있는 한계가 있었다.

또한 기기 자체가 3D 전용으로 설계된 탓에 일반적인 2D화면을 볼 때 화질이 현저히 떨어지는 고질적인 단점이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 1.2mm의 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 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 즐길 수 있게 된 것이다.

이 메타렌즈를 스마트폰이나 태블릿PC 화면에 스티커처럼 붙이는 것만으로도 성능이 구현돼 기존 기기와의 호환성이 매우 뛰어나다. 향후 모바일 기기는 물론 정밀 의료 영상 시스템이나 대형 옥외 광고판까지 관련 산업에 폭넓게 적용될 전망이다.

노준석 포스텍 교수

노준석 교수는 "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.


포항=김규동 기자