[KGN25] 눈앞의 풍경에 길 안내나 문자를 겹쳐 보여주는 증강현실 안경을 일상에서 더 편하게 쓸 수 있는 기술이 개발됐다. 국내 연구진이 얇은 렌즈 안에서 빛의 손실을 줄여 밝은 야외에서도 문자를 볼 수 있는 안경 시제품을 구현했다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로 메타표면 도파관 안에서 빛의 손실을 대폭 줄여 눈의 위치가 바뀌더라도 밝은 영상을 구현하는 광학 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 과기정통부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구, 미래개척융합과학기술개발, 실감콘텐츠핵심기술개발, 나노·소재기술개발, 미래디스플레이전략연구실지원, N.EX.T Impact 상, 삼성미래기술육성 사업 등의 지원으로 수행됐으며 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처’에 11월 12일 게재됐다.

증강현실 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.

기존의 AR 안경은 작은 디스플레이에서 나온 빛을 얇은 도파관 안으로 보낸 뒤, 표면의 미세구조로 방향을 바꿔 눈에 전달한다.

그러나이 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.

또한, 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.

‘그림’ 야외와 실내에서 촬영한 AR 영상

이번 성과는 메타표면 도파관 안에서 빛의 손실을 줄여 얇은 광학계에서도 밝은 영상을 구현할 수 있음을 보여줬다는 데 의미가 있다.

향후 길 안내나 작업 정보를 눈앞에 보여주는 일상용 안경에 활용될 것으로 기대된다.

빛을 효율적으로 활용해 화면 밝기를 유지하면서 전력 소모를 줄이는 데에도 도움이 될 수 있다.

향후 실용화를 위해서는 산업계에서 요구하는 밝기 표준을 맞추기 위해 평균휘도를 조금 더 향상시킬 필요가 있고 두장의 도파관 대신 한 장으로 같은 성능을 낼 수 있도록 하는 후속 연구도 필요하다.

또한 외부 빛이 도파관의 미세구조와 만나 무지개처럼 번져 보이는 현상을 줄이고 눈의 위치와 영상 영역에 따른 색과 밝기의 차이를 개선해야 한다.

밝은 야외에서 작은 글자를 더 쉽게 읽을 수 있도록 영상 품질을 높이는 것도 후속 과제다.

포항공과대학교 노준석 교수는 “이번 연구 성과는 렌즈 안에서 빛의 이동 경로를 정교하게 제어해, 얇은 렌즈로도 야외에서 밝고 선명한 영상을 구현할 수 있음을 보여준 것”이라며 “향후 빛에 의한 무지개 번짐 현상을 개선하고 대량생산 기술을 확보하는 한편 AI 기반 맞춤형 영상 처리와 연계해 일상에서 편안하게 쓰는 AR 안경으로 발전시켜 나갈 것”이라고 밝혔다.

과기정통부 김성수 연구개발정책실장은 “이번 성과는 빛의 성질을 이해하고 제어하는 기초연구가 차세대 디스플레이의 한계를 해결하는 원천기술로 이어진 사례”며 “새로운 원리를 탐구하는 연구와 이를 바탕으로 한 원천기술 개발을 꾸준히 지원하겠다”고 밝혔다.