스마트폰 화면에 붙이기만 해도 3D 디스플레이 구현
‘메타렌즈’ 활용해 개발…재상용화 가능성 열어 
포항공대 노준석 교수, 2주 연속 네이처지 게재

과학기술정보통신부는 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀이 차세대 광학소자인 ‘메타렌즈’를 활용해, 하나의 렌즈로 2D와 3D를 자유자재로 전환하는 기술을 공동 개발했다고 23일 밝혔다. 연구성과 브리핑 시연 영상. 과기정통부 제공

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

과학기술정보통신부는 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀이 차세대 광학소자인 ‘메타렌즈’를 활용해, 하나의 렌즈로 2D와 3D를 자유자재로 전환하는 기술을 공동 개발했다고 23일 밝혔다. 메타렌즈는 나노미터 크기의 인공 나노 구조체를 기판 위에 배열해 빛의 위상·진폭·편광을 정밀하게 제어함으로써 렌즈의 기능을 구현하는 초박형 평면 광학 소자이다.

과기정통부 지원 사업(개인기초연구사업(중견연구))과 미래개척융합과학기술개발사업(글로벌융합연구지원)) 및 삼성미래기술육성사업, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 삼성리서치 산학협력과제 등으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처(Nature)’지(誌)에 4월 23일 자정(한국시간) 게재됐다. 논문명은 ‘Switchable 2D–3D display through a metasurface lenticular lens’이다.

최근 가상·증강현실(VR·AR) 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 받아 왔다.

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.

그림. 2D/3D 전환 디스플레이 구조도. 편광 조절기(On/Off) 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 작동하여 렌즈 광력을 상쇄, 선명한 2D 영상을 제공한다. 반대로 꺼진(Off) 상태에서는 메타렌즈가 볼록렌즈로 전환되어 렌티큘러 렌즈와 결합, 100도 광시야각의 3D 입체 영상을 구현한다. 그림설명: 포항공대 노준석 교수, 그림제공: 삼성전자 뉴스룸. 과기정통부 제공

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. 특히, 이 ‘메타렌즈’를 스마트폰이나 태블릿PC 화면에 스티커처럼 붙이는 것만으로도 성능이 구현되어 기존 기기와의 호환성이 매우 뛰어나다. 향후 모바일 기기는 물론 정밀 의료 영상 시스템이나 대형 옥외 광고판까지 관련 산업에 폭넓게 적용될 전망이다.

연구를 주도한 노준석 교수는 이번에 발표한 메타렌즈 기술과 더불어, 지난주 성균관대 조규진·김인기 교수와 공동 교신저자로 참여해 네이처지에 발표한 ‘메타렌즈 대량 생산 공정 기술’을 함께 제시함으로써 실제 상용화 가능성의 문을 활짝 열었다.

그림. 제작된 메타렌즈 실물(왼쪽)과 메타표면의 나노 구조가 렌즈의 기능으로 작동할 수 있도록 배열되어 있는 모습(오른쪽). 가로·세로 각 5cm(면적25cm2) 크기로 제작된 대면적 메타 표면 렌티큘러 렌즈 실물 사진과 그 내부 나노 구조체를 보여준다. 전자빔 현미경(SEM) 이미지에서 확인되듯, 300nm 간격으로 나노 기둥 구조체가 정밀하게 배열되어 있다. 각 나노 구조체는 회전 각도(φ)에 따라 빛의 위상을 제어하는 기하학적 위상 원리를 활용해 편광 상태에 따른 렌즈 전환 기능을 구현한다. 그림설명: 포항공대 노준석 교수, 그림제공: 삼성전자 뉴스룸. 과기정통부 제공

일반적으로 기초연구 성과가 실제 산업 현장에 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 노 교수는 2주 연속으로 네이처지에 이름을 올리는 기염을 토했다. 두 논문은 4월 30일 발행되는 ‘네이처’ 발간호에 동시에 실릴 예정으로, 국내 연구자가 세계 최고 권위 학술지의 발간호에 교신저자로서 서로 다른 두 연구를 동시 게재한 최초 사례이다.

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 말했다.

과기정통부 김성수 연구개발정책실장은 “노준석 교수는 과기정통부 기초연구사업을 통해 10년 이상 신진·중견연구를 수행해온 연구자”라며 “앞으로도 기초연구에 대한 꾸준한 투자로 연구자들이 세계 무대에서 마음껏 활약할 수 있도록 지원하겠다”고 밝혔다.

송현수 기자 songh@busan.com