[아이뉴스24 정종오 기자] 현실 풍경을 보면서 길 안내나 문자, 작업에 필요한 정보를 확인하는 일상용 증강현실(AR) 안경이 나왔다. 앞으로 인공지능(AI) 기반 스마트 안경과 결합하면 주변 상황에 맞는 정보를 눈앞에 제공하는 인터페이스로 발전할 수 있다.
눈앞의 풍경에 길 안내나 문자를 겹쳐 보여주는 AR 안경을 일상에서 더 편하게 쓸 수 있는 기술이 개발됐다. 국내 연구팀이 얇은 렌즈 안에서 빛의 손실을 줄여 밝은 야외에서도 문자를 볼 수 있는 안경 시제품을 구현했다.
과학기술정보통신부(장관 배경훈)는 포항공대(POSTECH) 노준석 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로 메타표면 도파관(빛이 외부로 빠져나가지 않고 특정 경로를 따라 전달되도록 유도하는 광학 구조) 안에서 빛의 손실을 대폭 줄여 눈의 위치가 바뀌더라도 밝은 영상을 구현하는 광학 기술을 개발했다고 12일 발표했다.
메타표면은 빛의 파장보다 작은 나노구조체를 배열해 빛의 위상, 진행 방향 등을 제어하는 광학 구조를 말한다.
AR 안경을 일상에서 이용하려면 일반 안경처럼 얇고 가벼우면서 밝은 곳에서도 영상이 잘 보여야 한다. 눈을 움직이거나 안경이 조금 흘러내려도 선명한 화면을 봐야 한다. 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. 이 과정에서 일부 빛이 다른 방향으로 빠져나가 화면이 어두워지는 문제가 있었다. 영상이 보이는 범위를 넓힐수록 빛의 손실은 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 발생한다.
연구팀은 도파관 전체에서 빛이 지나가는 경로에 주목했다. 빛이 이동하는 전체 경로를 나노 단위에서 정밀하게 설계하면 빛의 원치 않는 손실을 대폭 줄이면서 눈의 위치가 바뀌더라도 밝고 선명한 영상을 유지할 수 있음을 이론적·실험적으로 규명해냈다.
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 일정 범위 안에서 달라져도 영상을 볼 수 있도록 했다.
이번 성과는 메타표면 도파관 안에서 빛의 손실을 줄여 얇은 광학계에서도 밝은 영상을 구현할 수 있음을 보여줬다는 데 의미가 있다. 앞으로 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.
실용화를 위해서는 산업계에서 요구하는 밝기 표준을 맞추기 위해 평균 휘도를 조금 더 높일 필요가 있고 두 장의 도파관 대신 한 장으로 같은 성능을 낼 수 있도록 하는 후속 연구도 필요하다. 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.
노준석 교수는 “이번 연구 성과는 렌즈 안에서 빛의 이동 경로를 정교하게 제어해 얇은 렌즈로도 야외에서 밝고 선명한 영상을 구현할 수 있음을 보여준 것”이라며 “앞으로 빛에 의한 무지개 번짐 현상을 개선하고 대량생산 기술을 확보하면서 AI 기반 맞춤형 영상 처리와 연계해 일상에서 편안하게 쓰는 AR 안경으로 발전시켜 나갈 것”이라고 말했다.
김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 “이번 성과는 빛의 성질을 이해하고 제어하는 기초연구가 차세대 디스플레이의 한계를 해결하는 원천기술로 이어진 사례”라며 “새로운 원리를 탐구하는 연구와 이를 바탕으로 한 원천기술 개발을 꾸준히 지원하겠다”고 전했다.
연구 성과(논문명 : Metasurface waveguides for all-day augmented reality glasses)는 국제학술지 ‘네이처(Nature)]에 12일자로 실렸다.
/정종오 기자(ikokid@inews24.com)