[PEDIEN] 눈앞 풍경에 길 안내나 문자를 겹쳐 보여주는 증강현실 안경을 일상에서 더욱 편하게 사용할 수 있는 길이 열렸다. 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치가 힘을 합쳐 기존 AR 안경의 한계를 뛰어넘는 얇고 밝은 광학계 기술을 개발하는 데 성공했다. 이 성과는 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처’에 11월 12일 게재되며 기술력을 인정받았다.
AR 안경이 일상생활에 자리 잡기 위해서는 일반 안경처럼 얇고 가벼워야 할 뿐만 아니라, 밝은 야외에서도 영상이 명확하게 보여야 한다. 또한, 사용자의 눈 움직임이나 안경의 미세한 흔들림에도 영상이 끊김 없이 유지되는 편의성도 중요하다. 하지만 기존 AR 기술로는 이 세 가지 조건을 동시에 만족시키는 데 어려움이 있었다.
기존 AR 안경은 작은 디스플레이에서 나온 빛을 얇은 도파관으로 보내 표면의 미세 구조를 통해 방향을 바꿔 눈으로 전달하는 방식을 사용한다. 이 과정에서 일부 빛이 의도치 않은 방향으로 새어 나가면서 화면이 어두워지는 문제가 발생했다. 특히, 눈의 위치 변화에 따른 영상 시청 범위를 넓히려 할수록 빛 손실은 더욱 커졌다. 컬러 영상 구현에서도 빨강, 초록, 파랑 빛이 동일한 미세 구조를 통과할 때 진행 방향과 효율이 달라져 특정 색상이 과도하게 밝거나 어둡게 보이는 색 왜곡 현상이 나타나기도 했다.
연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 도파관 전체에서 빛이 이동하는 경로를 나노 단위에서 정밀하게 설계하는 데 집중했다. 그 결과, 빛의 불필요한 손실을 획기적으로 줄이면서도 눈의 위치가 바뀌더라도 밝고 선명한 영상을 유지할 수 있음을 이론적으로, 그리고 실험적으로 명확히 입증했다. 더불어 컬러 영상 구현을 위해 파랑·초록 빛을 주로 전달하는 층과 빨강·초록 빛을 주로 전달하는 층을 겹치는 설계를 적용했다. 이를 통해 색상별 빛 전달 효율의 차이를 줄여 왜곡 현상을 개선했다.
이러한 혁신적인 설계를 바탕으로 연구팀은 총 두께 1.5mm의 메타표면 기반 도파관을 구현하는 데 성공했다. 이 기술을 적용한 안경 시제품은 밝은 야외에서도 흰색 문자를 선명하게 보여주었고, 실내에서는 실제 풍경 위에 컬러 영상을 자연스럽게 겹쳐 보여주었다. 또한, 사용자의 눈 위치가 일정 범위 내에서 달라져도 영상을 문제없이 시청할 수 있도록 편의성을 확보했다.
이번 연구 성과는 얇은 광학계에서도 빛 손실을 최소화하여 밝은 영상을 구현할 수 있음을 실증했다는 점에서 큰 의미를 지닌다. 향후 길 안내나 작업 관련 정보를 실시간으로 제공하는 일상용 AR 안경으로의 활용이 기대된다. 또한, 빛을 효율적으로 사용하여 화면 밝기를 유지하면서 전력 소모를 줄이는 데도 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
다만, 상용화를 위해서는 아직 해결해야 할 과제도 남아있다. 산업계 표준에 맞는 밝기를 구현하기 위해 평균 휘도를 더욱 향상시켜야 하며, 현재 두 장의 도파관 대신 한 장으로 동일한 성능을 내는 후속 연구도 필요하다. 외부 빛이 도파관의 미세 구조와 만나 발생하는 무지개 번짐 현상을 줄이고, 눈의 위치 및 영상 영역에 따른 색과 밝기 차이를 개선하는 것도 중요한 과제다. 더불어 밝은 야외에서 작은 글자를 더욱 쉽게 읽을 수 있도록 영상 품질을 높이는 작업도 지속될 예정이다.
포항공대 노준석 교수는 “이번 연구는 렌즈 내 빛의 이동 경로를 정교하게 제어해 얇은 렌즈로도 야외에서 밝고 선명한 영상을 구현할 수 있음을 보여준 결과”라며, “향후 무지개 번짐 현상 개선, 대량생산 기술 확보, AI 기반 맞춤형 영상 처리와 연계를 통해 일상에서 편안하게 사용하는 AR 안경으로 발전시킬 것”이라고 밝혔다. 과기정통부 김성수 연구개발정책실장은 “빛의 성질을 이해하고 제어하는 기초연구가 차세대 디스플레이의 한계를 해결하는 원천기술로 이어진 사례”라며, “새로운 원리 탐구와 원천기술 개발을 지속적으로 지원하겠다”고 덧붙였다.
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