"안경 없이 2D·3D 자유 전환"…스마트폰 붙이면 끝, '메타렌즈' 등장[과학을읽다]

포항공대·삼성 공동개발…네이처 게재, 시야각 6배 확대

스마트폰 화면 위에 얇은 렌즈 필름을 덧붙이기만 하면, 안경 없이도 2차원(2D)과 3차원(3D) 영상을 자유롭게 전환할 수 있는 차세대 디스플레이 기술이 국내에서 처음 구현됐다. 이 렌즈는 전기 신호에 따라 빛의 방향을 바꿔 2D 화면을 그대로 보여주거나 입체 영상을 만들어내며, 기존 3D 기술의 한계였던 좁은 시야각과 화질 저하 문제를 동시에 해결했다.

과학기술정보통신부는 노준석 포항공과대학교 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치가 '메타렌즈'를 활용해 하나의 렌즈로 2D와 3D를 자유롭게 전환하는 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

메타렌즈는 얇고 가벼운 렌즈를 구현할 수 있다. 스마트폰 카메라, AR·VR 기기, 웨어러블 디스플레이의 소형화에 유리하다. 픽사베이 제공.

이번 연구 성과는 국제학술지 Nature에 23일(한국시간) 게재됐다.

시야각 15도→100도…'초박형 렌즈'로 한계 돌파

3D 디스플레이는 가상현실(VR)·증강현실(AR)·의료영상 등에서 수요가 급증하고 있지만, 실제로는 텍스트와 영상 등 2D 콘텐츠 소비가 여전히 대부분이다. 이에 하나의 기기에서 두 방식을 자유롭게 전환하는 기술이 산업계의 핵심 과제로 꼽혀왔다.

제작된 메타렌즈 실물(왼쪽)과 메타표면의 나노 구조가 렌즈의 기능으로 작동할 수 있도록 배열되어 있는 모습(오른쪽). 연구팀 제공.

기존 안경 없는 3D 기술은 시야각이 약 15도 수준으로 매우 좁아 정면의 한 명만 볼 수 있고, 3D 전용 설계로 인해 2D 화면 화질이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 나노 구조로 빛을 정밀 제어하는 '메타렌즈'를 통해 이 한계를 극복했다. 두께 1.2㎜의 초박형 구조로 설계된 이 렌즈는 전압에 따라 오목렌즈와 볼록렌즈로 전환되며, 2D와 3D 모드를 자유롭게 바꿀 수 있다.

전압이 없을 때는 고해상도 2D 화면을 왜곡 없이 구현하고, 전압이 공급되면 100도의 초광시야각에서 입체 영상을 구현한다. 이는 기존 대비 약 6배 넓은 시야각으로, 여러 사람이 다양한 위치에서 동시에 3D 영상을 볼 수 있는 수준이다.

"스티커처럼 부착"…모바일부터 광고까지 확장

특히 이 메타렌즈는 스마트폰이나 태블릿 화면에 '부착'하는 방식만으로 작동해 기존 디스플레이와의 호환성이 높다.

연구팀은 모바일 기기뿐 아니라 의료 영상, 대형 옥외 광고, 스마트 공간 등 다양한 산업 분야로의 확장이 가능할 것으로 보고 있다.

편광 조절기 상태에 따라 메타렌즈 특성이 바뀌며 2D·3D 영상을 전환하는 구조를 나타낸 개념도다. On 상태에서는 오목렌즈로 작동해 선명한 2D 영상을, Off 상태에서는 볼록렌즈로 전환돼 100도 광시야각의 3D 영상을 구현한다. 그림제공: 삼성전자 뉴스룸. 그림설명: 노준석 포항공대 교수

이번 연구는 기술 실증에 그치지 않고 상용화 가능성까지 동시에 제시했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 같은 시기 메타렌즈 대량 생산 공정 기술도 함께 발표하며, 원천기술과 양산 기술을 동시에 확보했다.

노준석 포항공과대학교 교수는 "초박형 메타렌즈가 차세대 디스플레이 플랫폼으로서 실용적 가능성을 입증한 성과"라며 "모바일부터 산업용까지 폭넓은 응용이 가능한 원천 기술 확보에 기여할 것"이라고 말했다.

김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "기초연구에 대한 지속적인 투자를 통해 연구자들이 세계 무대에서 성과를 낼 수 있도록 지원을 강화하겠다"고 밝혔다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr