포스텍·삼성, AR 안경 렌즈 두께 3분의 1로 줄였다

AR 안경 렌즈의 두께를 3분의 1로 줄이는 광학 기술이 개발됐다. 연합뉴스 제공

국내 연구팀이 증강현실(AR) 안경에 사용되는 렌즈의 두께를 기존 상용 제품의 3분의 1 수준인 1.5mm까지 줄이는 기술을 개발했다. 빛의 파장보다 작은 구조물을 이용해 빛의 진행 방향을 정밀하게 제어하는 '메타표면'을 적용해 기존 제품과 비슷한 수준의 전력을 소모하면서도 더 밝고 선명한 영상을 구현했다.

과학기술정보통신부(과기정통부)는 노준석 포스텍 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 교수팀과 삼성전자 삼성 리서치 공동연구팀이 빛의 손실을 대폭 줄여 낮 시간 야외에서도 선명한 이미지를 볼 수 있는 AR 렌즈를 개발하고 연구결과를 11일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 게재했다고 12일 밝혔다. 

'스마트 안경'이라고도 불리는 AR 안경은 실제 풍경 위에 길 안내나 문자, 영상 같은 디지털 정보를 겹쳐 보여주는 착용형 디스플레이다. 일상에서 일반 안경처럼 사용하려면 얇고 가벼우면서도 밝은 야외에서 영상이 잘 보여야 한다. 

연구팀이 개발한 메타표면 도파로의 구성과 AR 안경 시제품. 포스텍 제공

AR 안경으로 영상을 구현하려면 투명한 렌즈를 통해 빛을 전달하고 사용자의 눈에 가상의 영상이 보이도록 조절해야 한다. 기존 AR 안경에서는 표면에 미세한 구조를 새겨 빛의 진행 방향을 바꾸는 '회절광학소자'가 이 역할을 맡는다. 회절광학소자를 통해 렌즈 내부로 들어온 빛은 여러 차례 반사되며 렌즈 전체로 전달되고 다시 사용자의 눈을 향해 빠져나온다.

빛이 렌즈 내부에서 여러 차례 반사되는 사이 일부가 원하지 않는 방향으로 렌즈 밖으로 빠져나가 밝기가 어두워지는 문제가 있다. 렌즈를 키울수록 빛의 손실이 커져 밝기와 넓은 시야각을 함께 확보하기 어려웠다. 

연구팀은 렌즈 내부에서 빛이 이동하는 통로인 '도파관'에 나노미터 크기의 미세 구조물을 배열한 '메타표면'을 적용했다. 메타표면은 빛의 파장보다 작은 구조물을 이용해 빛의 위상과 진행 방향 등을 정밀하게 제어하는 기술이다.

연구팀은 렌즈의 위치에 따라 나노구조체의 모양과 간격을 다르게 설계해 빛이 들어오는 각도와 위치에 맞춰 진행 방향을 조절했다. 청색과 녹색, 적색과 녹색을 전달하는 두 개의 도파로 층을 결합해 풀컬러 영상을 구현했다. 빛이 효율적으로 전달되면서 색상 또한 선명하게 보이도록 설계한 것이다. 

야외와 실내에서 촬영한 AR 영상. 포스텍 제공

개발한 AR 렌즈로 제작한 AR 안경은 밝은 야외에서도 흰색 문자를 명확하게 표시했으며 실내에서는 디스플레이 출력을 30%로 낮춘 상태에서도 컬러 영상을 구현했다. 빛의 손실을 줄이는 설계는 필요한 영상 밝기를 확보하면서 디스플레이의 전력 소모를 줄이는 데도 기여할 것으로 기대된다. 

향후 상용화를 위해서는 두 장의 도파로 층 대신 한 장으로도 같은 성능을 낼 수 있도록 하는 후속 연구가 필요하다. 빛이 도파로의 미세 구조와 만나 무지개처럼 번져 보이는 현상을 줄이는 것도 후속 과제다. 

연구팀은 지난 4월 메타 표면을 적용한 렌즈를 대량 생산해 500만 원 수준이던 렌즈 단가를 2000~3000원 수준까지 낮추는 데 성공했다. 노 교수는 "같은 대량생산 기술을 적용해 양산할 계획"이라면서 "기존 출시된 AR 안경에 렌즈를 적용하는 방식으로 향후 3년 이내로 메타표면이 적용된 AR 글래스를 실제로 판매하는 것을 목표로 하고 있다"고 말했다. 

이번 연구는 삼성 리서치와 포스텍의 산학 협력을 통해 진행됐다. 삼성전자의 디스플레이 시스템과 포스텍의 원천 기술을 결합한 결과로 2년 전에는 양 기관이 함께 한 장의 도파로 층으로 청색과 녹색, 적색을 한 번에 구현하는 렌즈를 개발한 경험도 있다. 노 교수는 "현재 삼성 리서치와 발전적으로 협력하고 있다"고 말했다. 

<참고자료>
doi: 10.1038/s41586-026-11277-x

[김소연 기자 lecia@donga.com]