삼성전자(005930)가 포항공대(POSTECH)와 함께 스마트폰이나 디스플레이, 확장현실(XR) 기기 등에 적용할 수 있는 ‘무색수차 메타렌즈’를 개발했다. 양측이 산학 협력을 통해 진행한 연구 논문은 최근 세계적인 학술지 '네이처 머티리얼스'에 게재됐다.
메타렌즈는 빛의 회절을 제어할 수 있는 나노 크기의 구조체로 구성된 평면 렌즈다. 기존 볼록 광학 렌즈 대비 크기와 두께를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 10여 년 전부터 디스플레이·카메라 등 광학 시스템 분야에서 차세대 소자로 떠오르며 활발히 연구가 진행돼 왔지만 큰 색수차(빛의 파장별로 굴절률이 달라 이미지의 색상이 번지는 현상)로 이미지가 심각하게 왜곡되는 기술적 한계가 있어 실제 제품 개발로 이어지는 데 어려움이 있었다.
삼성전자와 포스텍 연구팀이 개발한 무색수차 메타렌즈는 색수차가 없다. 아울러 홀로그래픽 디스플레이와 결합할 경우 색수차와 왜곡 등 다양한 광학 수차의 보완이 가능하다는 것도 증명했다. 광학 수차는 색수차처럼 카메라 렌즈 등 광학 시스템을 통과하는 빛이 정상적으로 굴절되지 않아 발생하는 이미지 품질 저하의 원인을 뜻한다.
삼성전자와 포스텍 연구팀은 기존 메타렌즈의 설계 방식을 바꿔 색수차 저감 한계를 해결했다. 기존에는 색수차를 없애기 위해 단일 메타 구조체를 독립적으로 설계하고 기판에 올려 합치는 방식을 사용했지만 구조체 사이의 상호 관계를 고려하지 않은 탓에 색수차를 완전히 줄일 수 없었다. 연구팀이 모든 메타 구조체 간의 상호 관계를 설계 단계에서부터 고려한 알고리즘을 개발하는 방식을 채택했다. 그 결과 얇은 두께를 유지하면서도 렌즈 크기를 기존보다 3∼5배 키울 수 있게 돼 넓은 시야각을 제공할 수 있다.
또한 메타렌즈의 초점력을 가지면서도 이미지 품질이 향상됐다. 무색수차 메타렌즈와 홀로그래픽 디스플레이를 결합하면 일반 광학 렌즈와 디스플레이를 결합했을 때보다 작고 가벼우면서도 피로도가 적은 가상 영상 제공이 가능하다는 것도 기술 검증을 통해 입증했다.
향후 무색수차 메타렌즈와 홀로그래픽 디스플레이를 결합한 장치는 확장현실(XR) 기기뿐만 아니라 일반 디스플레이, 카메라, 센서 등 다양한 광학 시스템의 성능 향상과 부피 저감에 활용될 전망이다. 이번 연구는 문석일 삼성리서치 박사와 노준석 포스텍 교수가 주도했다. 포스텍의 최민석·김주훈·신길수 연구원이 공동 1저자로 참여했다.
삼성전자는 산학협력을 통해 다양한 분야의 연구 성과를 내놓고 있다. 앞서 2022년 삼성전자와 아주대학교와 공동 개발한 초경량·초박형 인공근육 구동기 연구 논문이 네이처 커뮤니케이션스에 게재기도 했다.
삼성전자 관계자는 "이번 산학협력을 통해 혁신적인 아이디어 착안에서부터 실제 구현까지 검증하며 다양한 미래 광학 시스템 분야 개발과 차세대 디스플레이 기술 확보의 가능성을 확인했다"며 "앞으로도 미래를 선도할 혁신기술 연구를 지속할 계획"이라고 말했다.
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