- POSTECH·삼성리서치, 빛 손실 줄이는 초박막 광학계 구현

- 빛 손실 줄이고 컬러 왜곡 개선, 야외서도 문자 구현 성공

소형 디스플레이와 두 개의 메타표면 도파로를 이용해 실제 풍경 위에 가상 영상을 겹쳐 보여주는 AR 안경의 개념도.[POSTECH 제공]
소형 디스플레이와 두 개의 메타표면 도파로를 이용해 실제 풍경 위에 가상 영상을 겹쳐 보여주는 AR 안경의 개념도.[POSTECH 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 햇빛이 강한 야외에서도 눈앞에 길 안내나 문자 메시지를 선명하게 띄워주는 초박막 증강현실(AR) 안경 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 렌즈 두께는 1.5㎜에 불과하다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교(POSTECH) 노준석 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로 초박막 메타표면 도파관 기반 AR 광학 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

이번 연구성과는 세계적 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 12일자에 게재됐다.

AR 안경은 실제 눈앞의 풍경에 길 안내나 문자, 영상 등 디지털 정보를 겹쳐 보여주는 기기다. 스마트폰을 꺼내지 않고도 다양한 정보를 확인할 수 있어 차세대 정보기기로 주목받고 있다.

하지만 일반 안경처럼 얇고 가볍게 만들면서도 밝은 야외에서 선명한 영상을 구현하는 것은 쉽지 않았다. 특히 눈을 움직이거나 안경이 흘러내려도 화면이 보이도록 하려면 빛이 전달되는 영역을 넓혀야 하는데, 이 과정에서 빛의 손실이 커져 화면이 어두워지는 문제가 있었다.

기존 AR 안경은 초소형 디스플레이에서 나온 빛을 얇은 도파관에 넣고 표면의 미세구조를 이용해 눈으로 전달한다. 그러나 빛의 일부가 원하지 않는 방향으로 빠져나가면서 밝기가 떨어진다.

빨강·초록·파랑 등 색상마다 빛이 전달되는 방향과 효율이 달라 컬러 영상이 왜곡되는 문제도 있었다.

노준석 교수가 연구성과에 대해 설명하고 있다.[과기정통부 제공]
노준석 교수가 연구성과에 대해 설명하고 있다.[과기정통부 제공]

연구팀은 빛의 이동 경로를 나노미터 수준에서 정밀하게 설계해 이 같은 한계를 극복했다.

핵심은 빛의 파장보다 작은 나노구조체를 배열한 ‘메타표면’이다. 빛의 방향과 전달 경로를 정교하게 제어해 불필요한 빛 손실을 줄이고 눈의 위치가 달라져도 밝은 영상을 볼 수 있도록 했다.

컬러 영상 구현을 위해 서로 다른 색상의 빛을 전달하는 두 개의 도파관 층도 결합했다. 파랑·초록빛을 주로 전달하는 층과 빨강·초록빛을 주로 전달하는 층을 겹쳐 색상별 빛 전달 효율의 차이를 줄였다.

이를 통해 연구팀은 전체 두께가 1.5㎜에 불과한 메타표면 도파관 광학계를 구현하는 데 성공했다.

AR 디스플레이 측정 결과.[POSTECH 제공]
AR 디스플레이 측정 결과.[POSTECH 제공]

실제 제작한 AR 안경 시제품에서는 햇빛이 밝은 야외에서도 흰색 문자를 실제 풍경 위에 표시할 수 있었다. 실내에서는 컬러 영상을 구현했으며 눈의 위치가 일정 범위에서 달라져도 영상을 확인할 수 있었다.

이번 기술은 AR 안경의 두께를 줄이면서도 밝기를 확보했다는 점에서 의미가 크다. 빛을 효율적으로 활용하는 만큼 향후 디스플레이 전력 소모를 줄이는 데도 기여할 것으로 기대된다.

다만 상용화까지는 추가 연구가 필요하다. 산업계에서 요구하는 수준으로 평균 밝기를 높이고 외부 빛이 미세구조에 부딪혀 무지개처럼 번져 보이는 현상을 개선해야 한다. 영상의 색상과 밝기를 균일하게 유지하고 대량생산에 적합한 제조공정을 확보하는 것도 과제다.

연구팀은 향후 두 장의 도파관을 한 장으로 줄이고 대면적 나노임프린트 공정을 적용해 제조비용을 낮추는 연구를 추진할 계획이다.

노준석 교수는 “이번 연구는 렌즈 안에서 빛의 이동 경로를 정교하게 제어해 얇은 렌즈로도 야외에서 밝고 선명한 영상을 구현할 수 있음을 보여준 것”이라며 “대량생산 기술을 확보하고 AI 기반 맞춤형 영상 처리와 연계해 일상에서 편안하게 쓰는 AR 안경으로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.


nbgkoo@heraldcorp.com