국내 연구진, 두께 1.5㎜ AR 렌즈 개발…밝은 야외서도 선명한 영상

빛 손실 줄이고 밝기 높여

일상용 AR 안경 상용화 기술 확보

세계적 학술지 ‘네이처’ 게재

메타표면 도파로의 구성과 AR 안경 시제품. ⓒ과학기술정보통신부

국내 연구진이 두께 1.5㎜의 초박형 렌즈로 밝은 야외에서도 디지털 문자를 선명하게 볼 수 있는 증강현실(AR) 안경 기술을 개발했다. 빛의 이동 경로를 나노 단위에서 정밀하게 제어해 기존 AR 광학계의 빛 손실 문제를 개선한 것으로, 일상용 AR 안경 상용화를 앞당길 기술적 기반을 마련했다.

과학기술정보통신부는 노준석 포항공과대학교(POSTECH) 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로 메타표면 도파관의 빛 전달 효율을 높이는 광학기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 11월 12일자에 게재했다.

AR 안경은 실제 풍경 위에 길 안내나 문자, 영상 등 디지털 정보를 겹쳐 보여주는 착용형 디스플레이다. 일반 안경처럼 일상에서 사용하려면 얇고 가벼운 구조뿐 아니라 밝은 야외에서도 영상을 확인할 수 있는 광학 성능이 필요하다.

눈을 움직이거나 안경이 흘러내려도 화면을 안정적으로 볼 수 있어야 하지만 기존 기술은 두께와 밝기, 영상 관찰 범위를 동시에 확보하는 데 한계가 있었다.

기존 AR 안경은 소형 디스플레이에서 발생한 빛을 투명한 도파관 내부로 전달한 뒤 표면의 미세구조를 이용해 눈으로 보내는 방식을 사용한다. 그러나 빛이 여러 차례 방향을 바꾸는 과정에서 일부가 외부로 빠져나가 영상이 어두워지는 문제가 발생했다.

특히 눈의 움직임을 허용하는 범위를 넓힐수록 빛 손실이 커졌다. 빨강·초록·파랑 빛의 전달 효율 차이로 특정 색상이 지나치게 밝거나 어둡게 보이는 색 왜곡도 해결 과제로 꼽혔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 도파관 전체에서 빛이 이동하는 경로를 정밀하게 설계했다. 빛의 파장보다 작은 나노구조를 도파관 표면에 배치하고 위치에 따라 구조의 모양과 간격을 다르게 조절했다.

광선 추적과 전자기 해석을 결합해 빛이 여러 경로를 거쳐 눈에 도달하도록 설계함으로써 기존 구조에서 손실되던 빛을 영상 형성에 더 많이 활용했다.

풀컬러 영상 구현을 위해서는 파랑·초록 빛을 주로 전달하는 층과 빨강·초록 빛을 주로 전달하는 층을 결합했다.

각 층에는 질화규소(SiNx) 기반 메타표면을 제작하고 층마다 29개 영역의 나노구조를 다르게 설계했다. 이를 통해 색상별 빛 전달 효율 차이를 줄이고 눈으로 향하는 빛의 분포를 조절했다. 연구팀은 두 층을 결합한 총두께 1.5㎜의 메타표면 기반 도파관을 제작해 AR 안경 시제품에 적용했다.

노준석 포항공과대학교 교수. ⓒ과학기술정보통신부

실험 결과 1.5㎜ 두께의 광학계에서 대각 시야각 30도를 확보했다. 눈과 도파관 사이 거리 15㎜에서는 가로·세로 각각 8㎜의 아이박스(눈을 움직여도 영상을 볼 수 있는 공간)를 구현했다.

아이박스 내 여러 눈 위치에서 측정한 백색광 휘도 효율은 평균 1938nits/lm, 최대 4225nits/lm로 나타났다.

적색·녹색·청색의 평균 휘도 효율은 각각 1897nits/lm, 1977nits/lm, 2170nits/lm로 측정했다. 실외에서는 실제 풍경 위에 흰색 문자를 표시했다. 실내에서는 디스플레이 출력을 30%로 낮춘 상태에서도 컬러 영상을 구현했다.

이번 연구는 얇은 광학계에서 높은 밝기와 충분한 영상 관찰 범위를 동시에 확보할 수 있는 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

향후 길 안내와 작업 정보 등을 눈앞에 표시하는 일상용 AR 안경이나 인공지능(AI) 기반 스마트 안경에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

빛의 전달 효율을 높여 필요한 화면 밝기를 유지하면서 디스플레이 전력 소모를 줄이는 데도 기여할 수 있다.

다만 상용화를 위해서는 평균 휘도를 추가로 높이고 외부 빛에 따른 무지개 번짐 현상과 영상 영역별 색상·밝기 차이를 개선해야 한다. 두 장의 도파관을 한 장으로 줄이고 대량생산 공정을 확보하는 것도 후속 과제다.

이번 연구에는 과기정통부와 한국연구재단의 개인기초연구, 미래개척융합과학기술개발, 실감콘텐츠핵심기술개발, 나노·소재기술개발, 미래디스플레이전략연구실지원, N.EX.T Impact 상, 삼성미래기술육성 사업 등이 지원했다.

논문 제목은 ‘Metasurface waveguides for all-day augmented reality glasses’다. 노준석 교수가 교신저자를 맡고 삼성리서치 윤정근 박사와 포항공대 강현정 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.

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 말했다.