안경없이 2D·3D 전환… 메타렌즈로 차세대 디스플레이 혁신 주도

노준석 포스텍 교수팀, 초박형 구조 ‘메타렌즈’ 개발 하나의 렌즈로 2D·3D 구현… 전압에 따라 빛 굴절 제어 스마트폰에 붙여도 3D 디스플레이… 모바일기기 등 활용 투명망토로 잘 알려진 메타물질을 이용해 안경 없이 2D와 3D를 자유자재로 전환할 수 있는 차세대 디스플레이 기술이 개발됐다. 기존보다 시야각은 100도 이상으로 확장됐고, 두께는 밀리미터(㎜) 수준의 초박형 구조로 대량 생산이 가능해 스마트폰과 태블릿 등 모바일 기기나 대형 상업 디스플레이 등에 널리 활용될 전망이다. 과학기술정보통신부는 노준석 포항공대 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 함께 차세대 광학소자인 메타렌즈를 활용해 하나의 렌즈로 2D와 3D로 전환이 가능한 3D 디스플레이 기술을 국제 학술지 '네이처'에 발표했다고 23일 밝혔다. 메타렌즈는 나노미터 크기의 인공 나노구조체를 기판 위에 배열해 빛의 위상과 진폭, 편광을 정밀 제어함으로써 렌즈의 기능을 구현하는 초박형 평면 광학 소자다. 최근 가상·증강현실(VR·AR) 및 의료영상 등 3D 콘텐츠 수요가 급증하고 있지만 텍스트 열람이나 일반 영상 시청 같은 2D 콘텐츠 소비가 여전히 이어지고 있다. 이 때문에 하나의 기기에서 2D·3D 모드를 자유롭게 오갈 수 있는 '2D·3D 전환 디스플레이'가 상업적으로 주목받고 있다. 기존 안경식 입체 디스플레이는 눈의 피로 문제가 심각하고, 안경 없이 입체감을 구현하는 라이트 필드 디스플레이는 3D 전용으로 설계돼 2D 전환이 사실상 어렵다. 또 액정 기술 기반 2D·3D 전환 방식은 시야각이 약 15도로 매우 좁고, 두께로 인해 기기 슬림화에 문제가 있다. 메타표면을 이용한 기술은 아직 풀컬러 디스플레이나 실제 소자로 실증에 성공하지 못하고 있다. 연구팀은 전압 공급에 따라 빛의 굴절 방향을 자유자재로 조절할 수 있는 메타렌즈를 1.2㎜ 초박형 구조로 설계했다. 전압이 없을 때는 오목렌즈로 작동해 고해상도 2D 화면을 왜곡 없이 보여주다가, 전압이 공급되면 볼록렌즈로 작동해 기존보다 시야각이 6배 이상 넓은 100도의 초광시야각으로 입체영상을 구현한다. 여러 사람이 다양한 위치에서 동시에 몰입감 넘치는 3D 영상을 즐길 수 있게 된 것이다. 메타렌즈를 스마트폰이나 태블릿 PC 화면에 스티커처럼 붙여도 성능을 구현해 기존 기기와 호환성이 매우 뛰어나다. 연구팀은 메타렌즈를 가로·세로 5㎝ 크기의 대면적으로 제작하는 데 성공했고, 2D·3D 전환 응답시간은 0.01초로 실시간 전환이 가능하다고 설명했다. 연구를 주도한 노 교수는 지난주에 이어 2주 연속 네이처에 논문을 발표하는 진기록을 세웠다. 메타렌즈 관련 원천기술 실증과 양산 가능성을 검증한 두 개의 논문을 동시에 게재하게 됐다. 노 교수는 "이번 연구는 메타렌즈라는 초박형 나노광학 소자가 차세대 디스플레이 플랫폼으로 실용적 가능성을 입증했다는 데 의미가 있다"며 "나노임프린트 등 대량생산 공정 기술과 결합되면 메타표면 소자의 상용화를 앞당기는 데 큰 기여를 할 것"이라고 말했다. 이준기 기자 bongchu@dt.co.kr