1.5㎜ 광학계로 야외서도 AR 문자 구현…포항공대·삼성리서치 공동 개발

[산업일보]
두께 1.5㎜의 얇은 광학계로 밝은 야외에서도 문자 정보를 표시할 수 있는 증강현실(AR) 안경용 광학 기술이 개발됐다.

포항공과대학교(POSTECH) 노준석 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치는 빛의 손실을 줄이고 눈의 위치가 달라져도 밝은 영상을 구현할 수 있는 메타표면 도파관을 공동 개발해 AR 안경 시제품에 적용했다.

과학기술정보통신부는 12일 해당 연구 성과가 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다고 밝혔다.

기존 AR 안경용 광학계는 소형 디스플레이에서 나온 빛을 투명한 도파관 내부로 유도하고, 표면의 미세구조를 이용해 빛의 진행 방향을 조절한다. 이 과정에서 빛이 일부 손실돼 화면이 어두워지고, 눈의 움직임에 따라 영상을 볼 수 있는 범위를 넓힐수록 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 도파관 표면에 빛의 파장보다 작은 질화규소 나노구조를 배치하고, 빛이 이동하는 전체 경로를 고려해 구조를 최적화했다. 파랑·초록빛을 전달하는 층과 빨강·초록빛을 전달하는 층을 결합해 색상별 빛의 손실도 보완했다.

개발한 광학계는 두 층을 결합한 구조로, 전체 두께는 1.5㎜다. 대각 시야각 30도와 가로·세로 각각 8㎜의 아이박스를 확보했다. 아이박스란 눈이 움직여도 영상을 볼 수 있는 영역을 말한다. 평균 백색광 휘도 효율은 1,938니트/루멘(nits/lm)으로 측정됐다.


실제 안경 형태의 시제품 시험에서는 밝은 야외에서 흰색 문자를, 실내에서는 실제 풍경 위에 컬러 영상을 겹쳐 표시하는 데 성공했다.

노 교수는 지난 9일 연구성과 브리핑에서 “기존 것에 비해 훨씬 더 선명한 영상이 보인다”며 “중요한 것은 풀컬러를 구현할 수 있다는 점”이라고 강조했다.

다만 상용화까지는 추가적인 성능 개선이 필요하다. 노 교수는 “햇빛이 강한 환경에서 영상을 보려면 밝기를 조금 더 높여야 한다”고 말했다.

무지개 형태의 빛 번짐과 색상·밝기의 균일도도 개선 과제로 남아 있다. 연구팀은 현재 두 장으로 구성된 도파관을 한 장으로 줄이는 연구를 진행하고 있다.

노 교수는 “현재 연구에는 대량생산 공정이 적용되지 않았지만, 반도체 공정이나 임프린트 공정을 이용하면 가능할 것으로 보고 있다”고 밝혔다.

그는 기존 AR 안경의 광학 부품을 대체하는 방식으로 기술을 적용할 수 있을 것으로 내다봤다. 판매용 AI 안경에 이번 기술을 적용하는 시점은 3년 이내를 목표로 제시했으나, 삼성전자와의 구체적인 제품화 계획은 공개하지 않았다.