스마트폰에 붙이기만 하면 안경 없이도 2차워(2D)과 3차원(3D)을 자유자재로 전환할 수 있는 차세대 디스플레이 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.

과학기술정보통신부는 노준석 포항공과대학교 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀이 차세대 광학소자인 '메타렌즈'를 활용해 하나의 렌즈로 2D와 3D를 자유자재로 전환하는 기술을 공동 개발했다고 23일 밝혔다.

메타렌즈는 나노미터(nm, 10억 분의 1m) 크기의 인공 나노 구조체를 기판 위에 배열해 빛의 위상·진폭·편광을 정밀하게 제어함으로써 렌즈의 기능을 구현하는 초박형 평면 광학 소자다. 일반 렌즈는 한번 제작되면 그 특성을 바꿀 수 없지만, '메타렌즈'는 전압 공급에 따라 빛의 굴절 방향을 자유자재로 조절한다.

과기정통부 지원 사업 및 삼성미래기술육성사업, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 삼성리서치 산학협력과제 등으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위 학술지 '네이처' 지에 23일 0시에 게재됐다.

최근 가상·증강현실(VR·AR) 및 의료영상 등 3D 콘텐츠 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 2D화면을 볼 때 화질이 현저히 떨어지는 고질적 단점이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 1.2㎜ 초박형 구조로 설계된 '메타렌즈'로 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 된 것이다.

특히 이 '메타렌즈'를 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 이번에 발표한 메타렌즈 기술과 더불어 지난주 조규진·김인기 성균관대 교수와 공동 교신저자로 참여해 네이처지에 발표한 '메타렌즈 대량 생산 공정 기술'을 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.

이러한 성과를 인정받아 노준석 교수는 2주 연속 네이처지에 이름을 올리는 기염을 토했다.

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 포항공대 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.

김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "노준석 교수는 과기정통부 기초연구사업을 통해 10년 이상 신진·중견연구를 수행한 연구자"라며 "앞으로도 기초연구에 꾸준히 투자해 연구자들이 세계 무대에서 마음껏 활약할 수 있도록 지원하겠다"고 말했다.

문의: 과학기술정보통신부 기초연구진흥과(044-202-4537) 원천기술과(044-202-4546), 포항공과대학교 기계공학과(054-279-2187) 대외협력팀(054-279-2416)