기존 3D 디스플레이의 한계, ‘편광’ 제어하는 ‘메타렌즈’²로 풀다

‘메타표면 렌티큘러 렌즈 기반 2D∙3D 전환 디스플레이’란 나노 단위의 미세한 구조물이 배열된 초박형³ 렌즈(메타표면)를 이용해, 우리가 보는 화면을 평면(2D)과 입체(3D)로 자유롭게 바꿀 수 있는 디스플레이를 뜻한다.

메타표면은 기존 곡면 렌즈 대비 두께를 크게 줄이면서도 복잡한 광학 기능을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이와 카메라 시스템 등에서 활발히 연구되는 기술이다.

이 기술은 서로 다른 방향에서 들어오는 빛을 동시에 전달해, 안경 없이도 실제 사물을 보는 듯한 입체감을 제공하는 ‘라이트 필드 디스플레이(Light Field Display)’를 한 단계 진화시킨 결과물이다.

기존 라이트 필드 디스플레이는 엔터테인먼트나 증강현실(AR), 의료 영상 등 다양한 분야의 차세대 기술로 주목받아 왔으나 범용적인 사용에는 제약이 있었다. 렌즈가 두껍고 3D 시야각이 15도 정도로 좁을 뿐 아니라, 영상 해상도가 떨어지고 사용자의 위치를 실시간으로 확인하는 시선 추적기가 필요했기 때문이다.

연구팀은 빛이 특정 방향으로 진동하며 나아가는 성질인 ‘편광(Polarization)’을 이용해 이 문제를 해결했다. 빛이 나아가는 방향(편광)을 바꿔주기만 하면, 렌즈의 초점이 변하는 특수 나노 구조체인 ‘메타표면 렌티큘러 렌즈(MLL)’를 독자적으로 설계한 것이다.

빛의 굴절을 제어하는 메타렌즈…2D·3D 자유자재로 넘나드는 핵심 원리

이번 연구는 단일 기기 내에서 전압을 가하는 것만으로 2D, 3D 모드를 전환할 수 있는 메타 광학 시스템을 세계 최초로 증명했다. 이제 텍스트를 읽거나 일반 작업을 할 때는 ‘고해상도 2D 모드’를, 영상을 시청할 때는 ‘다시점(Multi-view)을 지원하는 몰입형 3D 모드’를 선택적으로 활용할 수 있게 된 것이다.

메타렌즈는 디스플레이 앞에 위치한 ‘편광 조절기’ 상태에 따라 알아서 오목렌즈나 볼록렌즈로 전환되는데, 핵심 원리는 이렇다. 편광 조절기가 작동하면 메타렌즈는 오목렌즈로 동작하며 기존의 볼록한 렌즈의 효과를 서로 ‘상쇄’시키게 된다. 다시 말해 볼록렌즈가 빛을 ‘안’으로 모아주는 힘을 오목렌즈가 ‘밖’으로 퍼뜨려, 두 렌즈의 반대되는 힘이 합쳐져 ‘0’의 상태가 되면서 빛이 평평한 유리창을 통과한 것처럼 직진하게 되는 것이다. 이를 통해 고해상도의 2차원 영상을 또렷하게 전달할 수 있어, 텍스트를 읽거나 웹 검색 등에 유리하다.

반면 3D 영화를 즐길 때는(편광 조절기 Off) 메타렌즈가 ‘볼록렌즈’로 전환해, 기존 볼록렌즈와 함께 더 강화된 볼록렌즈 역할을 하면서 3차원 입체 효과와 시야각을 극대화한다. 이를 통해 2D의 선명함과 3D의 입체감을 동시에 제공할 수 있다.

1.2mm 초박막으로 기존 렌즈 한계 돌파… 100도로 넓어진 시야각으로 여럿이 3D 시청 가능

이번 연구에서 특히 눈에 띄는 점은 광학 기기의 ‘두께’와 ‘시야각’을 혁신적으로 개선했다는 점이다. 일반적으로 화질과 시야각을 높이기 위해서는 부피가 크고 두꺼운 광학 렌즈를 사용해야 한다. 하지만 연구팀이 개발한 메타표면 렌티큘러 렌즈는 높은 개구수(Numerical Aperture)⁴를 갖도록 설계되어, 단 1.2밀리미터(mm)의 얇은 두께를 유지하면서도 무려 100도에 달하는 초광시야각을 제공한다. 기존 15도에서 무려 6배 이상 확장시키며 이제 3D 영상을 혼자가 아닌 여럿이서 다 같이 시청할 수 있게 되었다. 또한 나노 단위의 설계로 부피가 큰 기존 광학 장비의 물리적 한계를 극복한 것으로 볼 수 있다.

모바일 디스플레이 패널과 완벽 결합, 2D·3D 전환 상용화 ‘성큼’

이번 연구는 컨셉 검증을 넘어 실제 상용화에 매우 근접했다는 점에서도 의미가 크다. 연구팀은 가로세로 50mm, 즉 25cm² 넓이의 대면적 메타렌즈를 성공적으로 제작하고, 이를 모바일 시장의 주류인 OLED 디스플레이 패널에 적용 검증하며 기술의 완성도를 높였다.

향후 이 기술은 스마트폰, 태블릿 등 전자기기는 물론, 상업용 디스플레이 시스템까지 차세대 디스플레이 시장의 패러다임을 바꿀 핵심 솔루션이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 연구는 삼성전자 삼성리서치 비주얼 테크놀로지팀과 포스텍 나노스케일 포토닉스 & 통합생산 연구실이 함께 참여했다.

광학 시스템 설계 및 제작, 실시간 전환 검증까지 구현해 낸 삼성전자와 포스텍. 이번 네이처 논문 게재를 통해 차세대 메타 광학 소자 및 디스플레이 원천 기술 리더십을 확고히 한 삼성전자는 앞으로도 한계를 뛰어넘는 혁신 기술 연구를 지속해 나갈 계획이다.

1. 논문 제목: Switchable 2D-3D display through a metasurface lenticular lens
   논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41586-026-10318-9 ︎
2. 메타렌즈(Metalens): 기존의 굴절렌즈와는 다른 방식으로 빛을 다루는 차세대 광학 기술 ︎
3. 초박형: 매우 두께가 얇은 형태 ︎
4. 개구수(Numerical Aperture): 광학 시스템에서 빛의 수집 능력을 나타내는 지표로, 렌즈의 초점심에서 가장 큰 각도로 들어오는 빛의 양을 측정한다. ︎

^{※ 논문 제목: Compact eye camera with two-third wavelength phase-delay metalens※ 논문 링크: Nature Communications}

이번 연구는 삼성리서치 윤정근 연구원과 포스텍 노준석 교수 중심으로 이루어졌으며, 포스텍 강현정 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 삼성전자는 혁신적인 아이디어 제시부터 실제 구현과 검증까지, 전 과정을 아우르는 체계를 통해 차세대 광학소자 개발과 다양한 디바이스 차별화 가능성을 확인했다.

특히 이번 성과는 XR(eXtended Reality) 디바이스의 두께와 무게를 줄이고, 스마트폰 카메라의 높이를 낮춰 일명 ‘카툭튀(스마트폰에서 카메라만 튀어나오는 현상)’ 개선 가능성을 보여 주었다. 무엇보다 기존 메타렌즈 상용화를 가로막았던 한계들을 극복했다는 점에서 의미가 크다.

▲ (왼쪽부터) 포스텍 노준석 교수와 강현정 연구원, 삼성리서치 윤정근 연구원

세계 최초 ‘2/3 파장 위상 지연’ 메타렌즈 구현

메타렌즈(Metalens)는 기존의 굴절렌즈와는 다른 방식으로 빛을 다루는 차세대 광학 기술이다. 굴절렌즈는 곡면 소재에서 빛을 꺾는 ‘굴절’ 현상을 이용해 초점을 맞추는 반면, 메타렌즈는 평평한 표면에 나노미터 크기의 기둥 구조를 세워 빛이 통과하며 휘어지고 퍼지는 ‘회절’ 현상을 이용한다. 두꺼운 유리나 플라스틱 대신 얇은 기판 위에 미세 구조를 새겨 렌즈 역할을 하기 때문에 훨씬 얇고 가벼운 광학 기기를 만드는 데 유리하다.

메타렌즈가 선명한 상을 만들려면 빛의 파동 속도를 조절하는 ‘위상 지연’이 필요하다. 서로 다른 경로를 지난 빛줄기가 정확히 한 점에서 맞물려야 또렷한 상을 얻을 수 있기 때문이다. 기존 방식은 빛줄기가 위치에 따라서 ‘한 파장(빛이 한 번 진동하는 길이)’만큼 늦춰지도록 설계해 위상을 맞췄다. 이를 위해 폭이 매우 좁고 길이가 긴(종횡비 1:10 이상) 수천만 개의 나노 기둥을 세워야 하는데, 제작이 까다롭고 부러지기 쉬워 상용화에 큰 걸림돌이 되었다.

^{※ 종횡비(aspect ratio): 나노 구조체의 폭 대비 길이 비율※ 위상 지연: 단일 주파수의 파동이 다른 점으로 전파되면서 도착 타이밍이 늦어지는 현상}

▲ 기존 메타렌즈 및 신규 메타렌즈 비교

“메타렌즈는 높은 제작 난도와 낮은 기계적 안정성으로 상용제품 적용에 어려움이 있었으나,
이를 해결하기 위해 설계, 시뮬레이션, 공정, 검증 등 각 분야의 전문가들과 협업해
새로운 나노 구조체 설계 방법을 개발했습니다.”
– 삼성리서치 윤정근 연구원

연구팀은 최소 속도 제어량만을 이용해 정확히 빛을 제어하는 새로운 설계 규칙을 시도했다. 기존 한 파장이 아닌 2/3파장의 위상 지연만으로도 빛을 효율적으로 회절시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 제시한 것이다. 슈퍼셀(supercell)을 구성하는 나노 구조체가 2/3 파장의 위상 지연 상태에서도 위상 기울기를 일정하게 유지하면, 원거리장(far-field)에서 파면이 안정적으로 유지되는 성질을 활용했다.

이 방식은 위상 지연이 나노 구조체의 폭과 길이에 비례한다는 점을 이용해 종횡비를 1:5 수준으로 낮출 수 있게 했다. 이를 통해 나노 기둥의 높이를 줄이면서도 기존과 동일한 광학 성능을 유지하고, 제작 난이도와 불량률을 낮추며 안정성을 높였다. 결과적으로 수율 향상과 가격 경쟁력 확보가 가능해졌다.

^{※ 슈퍼셀(supercell): 나노 구조체의 배열을 통해 회절을 만들어내는 최소 단위 구조}

▲ 종횡비의 차이로 나노 구조체 높이를 낮춘 메타렌즈

한 장의 메타렌즈로 구현한 초소형 카메라

연구팀은 개발한 메타렌즈를 기반으로 XR 디바이스용 적외선 초소형 안구 카메라도 구현했다. 얇은 두께로도 동공 추적과 홍채 구별이 가능함을 입증한 것.

메타렌즈의 적용으로 기존 굴절렌즈 기반 카메라 대비 두께를 20% 줄여 (2.0mm→1.6mm) 무게와 부피를 모두 경감했다. 또한 120도의 넓은 시야각에서 사용자의 시선 추적과 홍채 인증을 위한 특징점 구별 성능을 확보했으며, MTF 성능 역시 50%에서 72%로 향상됐다. 

^{※ MTF 성능: 렌즈가 피사체의 선명도를 얼마나 잘 재현하는지를 나타내는 지표}

메타렌즈 상용화의 문을 열다

이번 연구는 빛의 회절을 제어하는 새로운 설계 원리를 제시함으로써, 메타렌즈 구현에 필요한 위상 지연을 줄이고 광학 성능, 기계적 안정성, 가격 경쟁력을 모두 확보할 수 있는 가능성을 열었다.

향후 가시광 영역으로 기술을 확장해 스마트폰 카메라 모듈의 돌출을 줄이고 다양한 이미징 센서를 더 작게 만들어 디바이스 차별화의 새로운 길을 개척할 것으로 기대한다.

삼성전자는 앞으로도 미래를 선도해 나갈 혁신기술 확보를 위해 산학협력 등 다양한 연구를 지속할 계획이다.