삼성전자와 포스텍(POSTECH)이 산학협력을 통해 진행한 ‘무색수차 메타렌즈’ 연구 논문이 세계적인 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 게재됐다.

메타렌즈는 빛의 회절을 제어할 수 있는 나노 크기의 구조체로 구성된 평면 렌즈이다. 디스플레이·카메라 등 광학 시스템 분야에서 차세대 소자로 주목받으며, 10여 년 전부터 업계에서 다양한 연구가 진행돼 왔다.

특히 기존 볼록 광학 렌즈 대비 크기와 두께를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 큰 색수차로 이미지가 심각하게 왜곡되는 기술적 한계가 있어 실제 제품 개발로 이어지는 데 어려움이 있었다.
※ 색수차(Chromatic Aberration): 렌즈를 통과하는 빛이 굴절될 때, 서로 다른 파장의 빛들이 굴절률이 달라 각기 다른 방향으로 휘어져 이미지의 색상이 번지는 현상

삼성전자와 포스텍 연구팀은 최근 색수차가 없는 ‘무색수차 메타렌즈’ 개발에 성공했다. 또 홀로그래픽 디스플레이와 결합할 경우 다양한 광학 수차의 보완이 가능하다는 것도 증명했다.
※ 광학 수차(Optical Aberration): 광학 시스템(예: 카메라 렌즈)을 통과하는 빛이 정상적으로 굴절되지 않아 발생하는 이미지 품질 저하의 원인. 대표적인 광학 수차로는 색수차, 구면수차, 왜곡 등이 있다.

향후 ‘무색수차 메타렌즈’와 ‘홀로그래픽 디스플레이’를 결합하면 콤팩트하면서도 높은 품질의 이미지를 제공하는 XR 웨어러블 기기 개발이 가능해지고 보다 다양한 카메라 및 센서에 활용할 수 있게 될 전망이다.

이번 프로젝트는 삼성전자 삼성리서치 문석일 박사와 포스텍 노준석 교수가 주도했으며, 포스텍 최민석, 김주훈, 신길수 연구원이 공동 1저자로 참여했다.

삼성전자는 이번 산학협력을 통해 혁신적인 아이디어 착안에서부터 실제 구현까지 검증하며 다양한 미래 광학 시스템 분야 개발과 차세대 디스플레이 기술 확보의 가능성을 확인했다.

색수차 한계 극복, 넓은 시야각의 ‘무색수차 메타렌즈’ 구현

삼성전자와 포스텍 연구팀은 기존 메타렌즈의 설계 방식을 바꿔 색수차 저감 한계를 해결했다.

기존 연구는 색수차를 없애기 위해 단일 메타 구조체를 독립적으로 설계해 기판에 올려 합치는 방식을 사용했지만, 구조체 사이의 상호 관계를 고려하지 않은 탓에 색수차를 완전히 줄일 수 없었다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 모든 메타 구조체 간의 상호 관계를 설계 단계에서부터 고려한 알고리즘을 개발해 색수차를 없애는 데 성공했다.

그 결과 연구팀이 개발한 ‘무색수차 메타렌즈’는 얇은 두께를 유지하면서도 렌즈 크기를 기존보다 3~5배 키울 수 있게 돼, 넓은 시야각을 제공할 수 있게 됐다. 또 메타렌즈의 초점력을 가지면서도 이미지 품질이 더욱 향상되는 결과를 가져왔다.

‘홀로그래픽 디스플레이’ 결합 시 이미지 왜곡 없는 저 피로도 영상 제공

렌즈는 일반적으로 화면이 커질수록 이미지 왜곡 현상 심해지는데, 이를 해결하기 위해 여러 장의 렌즈를 결합해 보정한다.

하지만, 연구팀은 단 한 장의 무색수차 메타렌즈와 홀로그래픽 디스플레이를 결합해 색수차 외에도 다양한 광학 수차를 해결하고 이미지 왜곡 없는 넓은 시야각의 영상을 확보하는 데 성공했다.

특히 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 XR 기기뿐만 아니라 일반 디스플레이, 카메라, 센서 등 다양한 광학 시스템의 성능 향상과 부피 저감에 활용될 전망이다.

삼성전자는 앞으로도 미래를 선도할 혁신기술 연구를 지속할 계획이다.