현실의 풍경 위에 길 안내나 문자 같은 정보를 겹쳐 보여주는 증강현실(AR) 안경을 보다 가볍고 편리하게 사용할 수 있는 광학 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 연구팀은 얇은 렌즈 내부에서 빛이 새어나가는 현상을 줄여, 햇빛이 강한 야외에서도 가상 정보를 또렷하게 확인할 수 있는 시제품을 선보였다.
과학기술정보통신부는 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 함께 메타표면 도파관 내부의 빛 손실을 크게 낮추고, 사용자의 눈 위치가 달라져도 밝은 영상을 유지하는 광학 기술을 구현했다고 발표했다. 메타표면은 빛의 파장보다 작은 나노 구조를 배열해 빛의 위상과 진행 방향을 조절하는 장치이며, 도파관은 빛이 정해진 경로를 따라 이동하도록 유도하는 광학 구조다.
이번 연구는 과기정통부와 한국연구재단의 개인기초연구, 미래개척융합과학기술개발, 실감콘텐츠핵심기술개발, 나노·소재기술개발, 미래디스플레이전략연구실지원, N.EX.T Impact 상을 비롯해 삼성미래기술육성 사업의 지원을 받아 진행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 「네이처」에 11월 12일 게재됐다. 논문 제목은 ‘Metasurface waveguides for all-day augmented reality glasses’다.
AR 안경이 일상용 제품으로 자리 잡으려면 일반 안경처럼 얇고 가벼워야 하며, 햇빛이 강한 환경에서도 영상이 충분히 밝아야 한다. 안경이 얼굴에서 다소 움직이거나 사용자가 시선을 옮기더라도 화면이 끊김 없이 보여야 한다. 하지만 기존 기술에서는 얇은 두께와 높은 밝기, 넓은 시야 범위를 동시에 확보하는 데 한계가 있었다.
기존 AR 안경은 소형 디스플레이에서 나온 빛을 얇은 도파관으로 보내고, 표면에 형성된 미세 구조를 통해 빛의 방향을 바꿔 사용자의 눈으로 전달한다. 이 과정에서 일부 빛이 원치 않는 방향으로 빠져나가면서 영상이 어두워지는 문제가 발생한다. 특히 눈의 움직임에 대응하기 위해 영상을 볼 수 있는 영역을 넓히면 빛 손실이 더욱 커졌다. 빨강·초록·파랑 빛이 미세 구조를 통과할 때 이동 방향과 전달 효율이 서로 달라지는 탓에 색상별 밝기가 불균형해지는 문제도 있었다.
연구팀은 도파관 안에서 빛이 이동하는 전체 경로를 나노미터 수준으로 정밀하게 설계하는 방식에 주목했다. 빛의 진행 과정을 세밀하게 제어하면 불필요한 손실을 크게 줄이면서 사용자의 눈 위치가 달라져도 밝고 선명한 영상을 유지할 수 있다는 점을 이론과 실험을 통해 확인했다.
색상 표현력을 높이기 위한 구조도 적용했다. 파란색과 초록색 빛을 중심으로 전달하는 층, 빨간색과 초록색 빛을 주로 전달하는 층을 겹쳐 배치해 색상별 전달 효율의 차이를 완화했다. 두 층을 결합한 결과, 빛을 눈으로 보내는 메타표면 기반 도파관을 총 1.5㎜ 두께로 제작할 수 있었다.
연구팀은 해당 도파관을 적용한 안경 시제품을 통해 야외에서는 흰색 문자를, 실내에서는 컬러 영상을 실제 배경 위에 겹쳐 표시했다. 사용자의 눈 위치가 일정 범위 안에서 변하더라도 가상 영상이 계속 보이도록 구현했다.
이번 연구는 메타표면 도파관 내부에서 빛의 손실을 줄이면 얇은 광학 구조만으로도 밝은 AR 영상을 만들 수 있다는 점을 입증했다는 데 의미가 있다. 향후 길 안내, 작업 지시, 각종 실시간 정보 등을 시야에 표시하는 일상용 스마트 안경 개발에 활용될 것으로 기대된다. 빛을 보다 효율적으로 이용할 수 있어 화면 밝기를 유지하면서 전력 소모를 줄이는 데에도 기여할 가능성이 있다.
상용화를 위해서는 해결해야 할 과제도 남아 있다. 산업계가 요구하는 밝기 기준을 충족하려면 평균 휘도를 더 높여야 하며, 두 장의 도파관을 사용하는 현재 구조를 한 장으로 줄이면서 동일한 성능을 확보하는 후속 연구가 필요하다. 외부 빛이 도파관의 미세 구조와 만나 무지개처럼 퍼져 보이는 현상을 완화하고, 눈의 위치나 영상 영역에 따라 발생하는 색상 및 밝기 편차도 개선해야 한다. 햇빛 아래에서 작은 글씨를 쉽게 읽을 수 있도록 화질을 향상하는 작업 역시 과제로 꼽힌다.
노준석 포항공대 교수는 렌즈 안에서 빛의 경로를 정밀하게 제어함으로써 얇은 렌즈에서도 야외용 고휘도 영상을 구현할 수 있음을 확인한 연구라고 설명했다. 이어 무지개 번짐을 줄이는 기술과 대량생산 공정을 확보하고, 인공지능 기반 맞춤형 영상 처리와 결합해 일상에서 편안하게 사용할 수 있는 AR 안경으로 발전시키겠다고 밝혔다.
과기정통부 김성수 연구개발정책실장은 빛의 특성을 이해하고 조절하는 기초연구가 차세대 디스플레이의 기술적 한계를 극복하는 원천기술로 연결된 사례라며, 새로운 원리를 탐색하는 연구와 이를 활용한 핵심 기술 개발을 지속적으로 지원하겠다고 말했다.
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