메타렌즈로 2D·3D 전환, 스마트폰 스티커 부착만으로 구현

과학기술정보통신부는 노준석 포항공과대학교 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀이 메타렌즈를 이용해 2D와 3D를 자유롭게 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 소자다. 일반 렌즈는 한번 제작되면 특성을 바꿀 수 없지만, 메타렌즈는 전압 공급에 따라 빛의 굴절 방향을 자유자재로 조절한다.

최근 가상·증강현실(VR·AR) 및 의료영상 등 3D 콘텐츠 수요가 급증하고 있으나, 텍스트 열람이나 일반 영상 시청 같은 2D 콘텐츠 소비가 여전히 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, 시야각이 15도 내외로 매우 좁아 정면의 단 한 명만 감상할 수 있고, 2D 화면을 볼 때 화질이 현저히 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 1.2㎜ 초박형 구조로 설계된 메타렌즈로 해결했다. 전압이 없을 때는 오목렌즈로 작동해 고해상도 2D 화면을 왜곡 없이 보여주고, 전압이 공급되면 볼록렌즈로 작동하며 기존 기술보다 시야각이 6배 이상 넓은 100도 초광시야각으로 입체 영상을 구현한다. 이를 통해 여러 사람이 다양한 위치에서 동시에 몰입감 넘치는 3D 영상을 즐길 수 있게 되었다. 특히 이 메타렌즈를 스마트폰이나 태블릿PC 화면에 스티커처럼 붙이는 것만으로도 성능이 구현돼 기존 기기와 호환성이 매우 뛰어나다.

향후 모바일 기기는 물론 정밀 의료영상 시스템이나 대형 옥외 광고판까지 관련 산업에 폭넓게 적용될 전망이다. 연구를 주도한 노준석 교수는 메타렌즈 기술과 더불어 메타렌즈 대량 생산 공정 기술을 함께 제시함으로써 실제 상용화 가능성의 문을 활짝 열었다. 일반적으로 기초연구 성과가 실제 산업 현장에 적용되기까지 상당한 시간차가 발생하지만, 노준석 교수는 자신의 두 핵심 성과를 하나로 묶어 원천 기술 개발과 양산 가능성 검증을 동시에 마침으로써 그 간극을 혁신적으로 단축했다.

두 논문은 오는 30일 발행되는 네이처 발간호에 동시에 실릴 예정으로, 국내 연구자가 세계 최고 권위 학술지 발간호에 교신저자로서 서로 다른 두 연구를 동시 게재한 첫 사례다. 노준석 교수는 "이번 연구는 메타렌즈라는 초박형 나노광학 소자가 차세대 디스플레이 플랫폼으로서 실용적 가능성을 갖고 있음을 실증한 성과"라며 "스마트폰부터 상업용 광고판까지 폭넓은 응용 가능성을 지닌 디스플레이 원천 기술 확보에 기여할 것"이라고 설명했다.