'2D로 웹툰 보다 영화는 3D 감상'…삼성 '카멜레온 화면' 정체

[테크 따라잡기]삼성-포스텍 협력…'네이처' 게재
나노 구조체로 편광 조절, 모드 전환 시스템 구현
100도 광시야각 확보, 모바일 기기 상용화 기대

그래픽=비즈워치

한때 거실을 점령할 것 같았던 3D TV의 열풍을 기억하시나요? 전용 안경을 써야 하는 번거로움, 조금만 옆에서 봐도 깨지는 화면, 무엇보다 3D 모드일 때 떨어지는 화질 탓에 어느덧 추억 속 가전이 돼버렸습니다.

최근 삼성전자가 이 해묵은 숙제를 해결할 기술을 내놨습니다. 안경 없이도 입체감을 느끼다가, 필요할 땐 아주 선명한 평면 화면으로 돌아오는 기술입니다. 세계적인 학술지 '네이처(Nature)'도 주목한 이 기술은 무엇일까요?

볼록렌즈와 오목렌즈의 '밀당'

평면과 입체를 자유롭게 오가게 만드는 일등 공신은 삼성전자가 포스텍(POSTECH)과 산학협력으로 공동 개발한 메타표면 렌티큘러 렌즈(MLL) 기술입니다.

2D·3D 전환 디스플레이 구조도./자료=삼성전자

기술의 핵심은 나노 단위의 미세한 구조물이 배열된 메타표면에 있습니다. 기존에도 안경 없이 입체감을 주는 라이트 필드 디스플레이 기술은 있었지만 렌즈가 두껍고 시야각이 좁아 범용적인 사용에는 제약이 컸습니다. 메타표면 기술은 렌즈 두께를 획기적으로 줄이면서도 복잡한 광학 기능을 구현할 수 있어 이런 한계를 돌파했다는 평가를 받는데요.

비결은 디스플레이 앞에 위치한 편광 조절기입니다. 연구팀은 빛의 진동 방향인 편광을 조절해 렌즈의 초점을 실시간으로 바꾸는 시스템을 세계 최초로 증명했습니다. 2차원(2D) 모드에서는 이 조절기가 메타렌즈를 오목렌즈처럼 작동하게 만드는데, 이때 볼록렌즈가 빛을 모으는 힘을 오목렌즈가 밖으로 퍼뜨리며 서로 상쇄시키게 됩니다. 두 렌즈의 반대되는 힘이 합쳐져 0의 상태가 되면 빛은 마치 평평한 유리창을 통과하듯 곧게 나아갑니다. 덕분에 왜곡 없는 선명한 고해상도 화면을 즐길 수 있습니다.

반면 3D 영상을 볼 때는 메타렌즈가 다시 볼록렌즈로 전환됩니다. 기존 렌즈와 힘을 합쳐 빛을 더 강력하게 굴절시키고 시야각을 넓히는 역할을 수행합니다. 전압을 가해 편광 방향을 바꾸는 것만으로 하나의 디스플레이가 필요에 따라 평평한 유리창이 되었다가 입체 렌즈가 되기도 하는 셈입니다.

1.2mm 두께로 구현한 '나눠보기'

기존 방식과 개선 방식 비교./자료=삼성전자

그동안 3D 디스플레이가 대중화되지 못한 또 다른 이유는 시야각이었습니다. 정중앙에서 혼자 볼 때는 입체감이 느껴지지만 조금만 옆으로 이동하면 화면이 겹쳐 보였기 때문입니다. 기존 기술의 시야각은 고작 15도 내외였습니다.

연구팀은 나노 단위의 미세 구조물을 정밀하게 설계해 이 한계를 넘었습니다. 단 1.2mm라는 얇은 두께를 유지하면서도 시야각을 무려 100도까지 넓혔습니다. 이전보다 6배 이상 넓어진 수치로, 이제는 옆에 앉은 친구나 가족과 함께 안경 없이 3D 영상을 즐길 수 있게 된 셈입니다.

기존에는 사용자의 눈 위치를 실시간으로 쫓아가는 복잡한 장비가 필요했지만 이제는 렌즈 자체의 성능만으로도 넓은 범위에서 입체감을 제공할 수 있게 됐습니다.

사진=아이클릭아트

이번 연구가 특히 의미 있는 것은 실험실 단계에 그치지 않고 상용화에 바짝 다가섰다는 점입니다.

연구팀은 이미 가로세로 50mm 수준의 대면적 메타렌즈 제작에 성공했고 현재 모바일 시장의 주류인 OLED 패널에 적용해 검증까지 마쳤습니다. 두께가 얇고 대량 생산 가능성까지 확인했으니 머지않아 우리가 쓰는 스마트폰이나 태블릿에서도 이 기술을 만날 수 있다는 뜻입니다.

삼성전자는 이번 기술을 통해 차세대 디스플레이 시장의 주도권을 확실히 쥐겠다는 구상입니다. 텍스트를 읽을 때는 눈이 편안한 고해상도 모드로, 게임이나 영화를 즐길 때는 몰입감 넘치는 3D 모드로 자유롭게 변신하는 디스플레이. 안경 없는 3D의 재도전이 이번에는 우리 일상에 안착할 수 있을지 기대됩니다.

[테크따라잡기]는 한 주간 산업계 뉴스 속에 숨어 있는 기술을 쉽게 풀어드리는 비즈워치 산업부의 주말 뉴스 코너입니다. 빠르게 변하는 기술, 빠르게 잡아 드리겠습니다. [편집자]

도다솔 (did0903@bizwatch.co.kr)

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