화면이 어두워지거나 색이 왜곡되는 기존 증강현실(AR) 안경의 고질적 한계를 극복한 초박형 광학 기술이 개발됐다. 국내연구팀이 얇은 렌즈안에서 빛 손실을 줄여 밝은 야외에서도 문자를 볼수 있는 안경 시제품을 구현했다. 얇고 가벼운 일상용 AR 안경 상용화에 눈앞에 다가온 셈이다.
과학기술정보통신부(부총리 겸 과기정통부 장관 배경훈·이하 과기정통부)는 노준석 포스텍(POSTECH) 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로, 메타표면 도파관 안에서 빛의 손실을 대폭 줄여 눈의 위치가 바뀌더라도 밝은 영상을 구현하는 광학 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.
AR 안경을 일상에서 사용하려면 일반 안경처럼 얇고 가벼우면서, 밝은 곳에서도 영상이 잘 보여야 한다. 눈을 움직이거나 안경이 조금 흘러내려도 화면을 볼 수 있어야 한다. 그러나 기존 기술로는 얇은 두께와 밝기, 사용 편의성을 함께 확보하기 어려웠다.
기존 AR 안경은 작은 디스플레이에서 나온 빛을 얇은 도파관 안으로 보낸 뒤, 표면의 미세구조로 방향을 바꿔 눈에 전달한다. 그러나 이 과정에서 일부 빛이 다른 방향으로 빠져나가 화면이 어두워지는 문제가 있었다. 특히 눈을 움직여도 영상이 보이는 범위를 넓힐수록 빛의 손실이 커졌다.
자연스러운 컬러 영상을 구현하는 데도 어려움이 있었다. 빨강, 초록, 파랑 빛은 같은 미세구조를 통과하더라도 진행하는 방향과 전달되는 효율이 달라져 특정 색상만 과도하게 밝거나 어둡게 보이는 왜곡 현상이 발생하기 때문이다.
연구팀은 도파관 전체에서 빛이 지나가는 경로에 주목했다. 빛이 이동하는 전체 경로를 나노 단위에서 정밀하게 설계할 경우, 빛의 원치 않는 손실을 대폭 줄이면서 눈의 위치가 바뀌더라도 밝고 선명한 영상을 유지할 수 있음을 이론적·실험적으로 명확히 규명해냈다.
또 컬러 영상을 표현하기 위한 설계도 더했다. 파랑·초록 빛을 주로 전달하는 층과 빨강·초록 빛을 주로 전달하는 층을 겹쳐, 색에 따른 빛 전달 효율의 차이를 줄였다.
연구팀은 두 층을 결합해 빛을 눈으로 전달하는 총 1.5㎜ 두께의 메타표면 기반 도파관을 구현했다. 이를 적용한 안경 시제품으로 밝은 야외에서는 흰색 문자를, 실내에서는 컬러 영상을 실제 풍경 위에 겹쳐 보여줬다. 눈의 위치가 일정범위 안에서 달라져도 영상을 볼 수 있도록 했다.
이번 연구는 포스텍의 '원천 기술'과 삼성의 '시스템 역량'이 빚어낸 시너지라는 점에서 특별한 의미가 있다. 학계의 기초 연구를 넘어, 삼성리서치와의 긴밀한 산학협력으로 산업계의 뚜렷한 수요를 명확히 해결했기 때문이다.
연구진은 2년 전 삼성전자와 함께 단일 도파관 시제품을 개발했으나, 야외 시인성 부족이라는 한계에 부딪혔고 이를 이번 공동 연구를 통해 정면으로 돌파했다. 포스텍의 세계적인 메타표면 나노 설계 및 공정 기술과 삼성전자의 디스플레이·시스템 통합 역량이 결합하면서, 차세대 스마트글래스 시장에서 한국이 기술 주도권을 선점할 수 있는 든든한 기반을 마련한 것이다.
이번 연구 성과는 과기정통부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구, 미래개척융합과학기술개발, 실감콘텐츠핵심기술개발, 나노·소재기술개발, 미래디스플레이전략연구실지원, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 삼성미래기술육성 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
