나노 기술 기반 메타물질 개발로...VR·AR 인터페이스 획기적 개선
나노 기술
가상현실(Virtual Reality·VR)은 현실과 비슷하지만 실제와 완벽히 분리된 인공 환경을 컴퓨터 모델링을 통해 구축한 입체 영상 기술이다. 여기에서 실제 세계를 기반으로 가상 세계를 합성해 사용자가 가상 정보와 상호작용할 수 있도록 한 기술을 증강현실(Augmented Reality·AR)이라고 한다. 2019년 마크 주커버그 메타(페이스북) CEO가 ‘오큘러스 커넥트6’ 행사 인터뷰에서 말한 “VR이 RV라면 AR은 모바일과 같다”는 말이 이들의 특징을 잘 나타내준다. 이런 차세대 미디어 플랫폼 기술인 VR·AR을 이용하면 몰입감 있는 게임과 해외 유명 관광지 방문 등 생생한 경험을 할 수 있다. 더 나아가 국방, 교육, 의료, 산업계 등 생활 전 영역에 걸쳐 활용될 수 있다. 대표적으로 메타버스에 이를 응용해 시공간에 대한 물리적 한계를 극복하고 경제, 교육·지리적 격차를 해소한 디지털 소통 공간을 제공하는 모습을 매체에서 쉽게 접할 수 있다. 이번 CES 2023에서도 많은 매체들이 메타버스가 핵심 테마가 될 것으로 예상하고 있으며 자동차 기업 스텔란티스가 마이크로소프트와 파트너십을 맺어 메타버스 쇼룸을 통해 기술을 소개한다.
VR·AR의 상용화를 확대하기 위해서는 콘텐츠 개발, 영상 처리 기술의 발전 등 소프트웨어 기술의 발전이 필요할 뿐 아니라, 폼팩터(Form Factor), FOV(Field of View), UI(User Interface) 등을 개선한 하드웨어 기술의 발전이 매우 중요하다. NFT나 블록체인 기술로 가상 세계에서 소유권을 기술적으로 인정하는 모습을 통해 확인할 수 있듯 현재 통신 기술의 발전과 AI 기술의 성장으로 소프트웨어 기술 발전은 비약적으로 이뤄지고 있다. 그러나 하드웨어의 한계로 VR·AR 서비스는 아직 스마트폰과 PC를 통해서 주로 제공되는 상황이다. 완전한 메타버스로 진입하기 위해서는 헤드셋, AR 스마트 글라스와 같은 인터렉션 하드웨어의 혁신이 동반돼야 한다.
기존의 AR 스마트 글라스의 경우 도파관(Waveguide)을 이용해 AR 렌즈를 제작한다. 이 경우 화면에서 나온 빛의 회절과 반사를 사용자의 눈까지 안내하기 때문에 빛을 가이드해야 할 공간이 필요하다. 하지만 렌즈와 눈 사이의 간격이 증가해 시야각(FOV)이 좁아지고, 하드웨어가 커지고 무거워져 사용자가 일상생활에서 사용하기에 불편함이 있다. 실제로 VR·AR 기기에서 차지하는 부피 중 80%를 광경로가 차지하고 있어 빈 상태로 존재한다. 또한 양산이 용이하지 않기 때문에 대당 수십만원 수준으로 일상생활에서 이용하기에 높은 초기 비용이 진입장벽으로 작용한다.
이런 한계점들은 나노 기술 기반의 메타물질 개발을 통해 VR·AR 인터페이스를 개선·확장할 수 있다. 메타물질은 기존에 자연에 존재하는 재료들을 가공해 만든 인공적인 원자인 ‘메타원자’를 배열해 자연계에 존재하지 않는 물성을 만드는 차세대 소재다. 메타물질을 통과하는 파장은 메타원자 배열의 주기보다 크며 메타원자와 상호작용을 해 빛의 진행 방향을 원하는 대로 바꿀 수 있다. 즉, 목적에 따라 메타원자 모양과 배열을 다르게 해 반사, 투과, 흡수 등의 파동을 조절할 수 있다. 최근 3차원 메타물질뿐 아니라 2차원 패터닝 기술로 제작할 수 있는 단층 메타물질(메타표면)에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 이를 적용한 메타렌즈로 AR 스마트 글라스를 만들 경우 매우 얇은 두께로 빛의 경로를 조절해 폼팩터를 획기적으로 줄일 수 있으며 렌즈의 개구수를 굴절 렌즈에 비해 자유롭게 키울 수 있어 쉽게 시야각을 확장할 수 있다. 메타렌즈를 구성하는 메타원자인 나노 막대를 비등방성을 갖도록 모양을 구성하고 배치하면 나노 막대가 기울어진 각도에 비례해 빛의 위상 지연을 유발한다. 이를 통해 메타렌즈에 들어가는 빛의 편광 상태가 달라지게 된다. 편광 상태에 따라 초점 거리가 달라져 가상 정보를 제공하는 이미징 렌즈 모드와 현실 세계를 보이게 하는 투명한 유리 역할을 동시에 수행할 수 있다. 이런 방법으로 메타렌즈는 우수한 AR 환경을 제공할 수 있다.
메타렌즈를 응용한 AR 스마트 글라스의 성능을 더욱 향상하고 상용화에 다가가기 위해서는 어떻게 해야 할까? 가상 물체가 현실 세계에 실제로 위치하는 것과 같은 현장감을 제공하기 위해서는 가상 물체가 선명한 이미지와 여러 색상을 띠고 입체감이 부여돼야 한다. 이는 가시광 대역에서의 고굴절률을 가지며 고투과 가능한 무색수차 렌즈를 개발하고 나노 구조 소재의 위상, 구조, 편광을 조절해 다중 초점을 가짐으로써 해결할 수 있다. 기존의 AR 메타렌즈의 경우 하나의 초점만을 가져 이미지에 입체감을 부여하지 못했다. 본 연구실은 이를 해결하기 위해 마이크로미터 두께의 가볍고 작은 메타렌즈에 액정층을 도입했다. 걸어주는 전압에 따라 0.001~0.01초 사이의 매우 짧은 시간 내에 액정의 분자 배열이 조절된다. 분자 배열에 따라 액정을 통과하는 가시광선의 원편광 상태가 변화하는 것을 이용해 4㎜의 초점 차이에 도달했다. 현재 성능 향상을 위해 렌즈 크기를 키우거나 두 초점 간 차이를 크게 설정해 초점 거리 차이를 센티미터 스케일까지 키우기 위한 추가적인 연구가 진행 중이며 단일 렌즈로 RGB 3개의 파장에 대해 수차를 없앤 무색수차 메타렌즈 개발에 성공했다. 기존에 파장보다 작은 크기의 메타원자로 이뤄진 메타렌즈를 제작하기 위한 공정은 복잡하다는 한계가 있었다. 상용화를 위해서는 대면적 대량 생산이 필수적인데 본 연구실에서는 포로리소그래피를 통해 웨이퍼 스케일로 나노 구조의 스탬프를 제작해 고분자 박막에 각인한 후 나노 구조물을 만드는 나노임프린팅 공정을 통해 대면적으로 대량 생산의 가능성을 제시했다.
AR 스마트 글라스 시장 어디까지 왔나
AR 스마트 글라스는 사용자의 시야에 부가적인 정보를 직접 표시해 업무의 효율성을 증가시킨다. 기존에 사용하던 스마트폰, PC 등의 다른 기기가 필요하지 않아 양손이 자유로워지며 원격 유지 관리와 호환해 손의 제스처 등으로 제어할 수 있다. 이는 2010년 초부터 스마트폰을 대체할 차세대 기기로 꼽혀왔지만 앞서 언급한 하드웨어의 한계로 소비자가 만족할 만한 제품을 만들지 못했다. 그럼에도 차별화된 서비스를 추구하는 현대 사용자들에게 몰입감 있는 경험을 제공하기 위한 소비자와 기업의 니즈가 꾸준히 이어져왔다. 2020년 코로나19로 인해 많은 오프라인 활동들이 온라인 활동으로 전환됨에 따라 편리한 VR·AR 하드웨어에 대한 니즈가 더욱 증대했다. 이에 AR 스마트 글라스 등 관련 하드웨어 개발이 차세대 미디어 플랫폼 기술을 확산하기 위한 첫 단추로 꼽혔다. 정부는 2020년에 확장현실을 확산해 2025년까지 최대 30조원의 경제 효과를 만들어내겠다는 목표를 내놨다. 더불어 장시간 확장현실 서비스를 이용하는 데 사용자가 불편함이 없도록 100~200g의 가벼운 AR 글라스 개발을 추진할 계획임을 밝혔다. 미국의 시장조사 업체 MRFR 또한 종합 연구 보고서에서 AR·VR 스마트 글라스는 2022~2030년 동안 13.5%의 연평균 성장률을 이루며 2030년까지 235억달러의 수익을 창출할 수 있을 것으로 기대했다. 이런 성장세 흐름에 발맞춰 현재 마이크로소프트, 메타, 구글, 애플 등의 글로벌 빅테크 기업들 또한 관련 제품을 출시하거나 관련 회사를 인수하는 등 AR 스마트 글라스 개발에 노력하고 있으며 관련 스타트업 또한 많이 생겨나고 있다.
AR 스마트 글라스 관련 대기업은 어디
진보된 확장현실 하드웨어 기업은 마이크로소프트로 가장 최근에 출시된 제품은 홀로렌즈(Hololens)2다. 이는 3D 혼합현실을 제공하며 3500달러의 다소 높은 가격에 달하지만 넓은 시야각과 높은 해상도를 제공한다. 주요 기능은 핸즈프리 기능과 손 제스처와 목소리를 통해 기기를 조작할 수 있으며 원하는 위치에 홀로그램을 생성하고 사용자는 이와 상호작용할 수 있다.
메타는 2014년 VR 하드웨어 시장 1위 기업인 ‘오큘러스(Oculus)’를 인수해 VR·AR 관련 제품을 2016년부터 출시했다. 2021년 9월 메타 안경·선글라스를 제작하는 글로벌 브랜드 레이밴의 모회사인 에실로룩소티카와 협업해 1세대 스마트 안경 레이밴스토리스를 출시했다. 본 스마트 안경은 소형 폼팩터에 맞게 기존의 오디오 어레이, 배터리 등 모든 것들을 축소화시켜 재설계했다. 본 제품은 아직 AR을 적용한 기술은 아니지만, 인터렉션 하드웨어 보급에 대한 소비자의 인지도를 늘리고 거부감을 줄이기 위한 첫 단추로 볼 수 있다. 메타는 이후 2024년까지 AR을 구현할 수 있는 AR 스마트 글라스 출시 계획을 밝혔으며 이번 CES 2023에서 미팅룸을 운영할 예정이다.
구글은 2020년 구글 글라스와 유사한 스마트 안경을 만드는 기업 ‘노스’를 인수했으며 올해 5월 개발자 회의에서 실시간 번역을 제공하는 AR 스마트 글라스의 시제품을 선보였다. 애플 또한 2023년에 AR 스마트 글라스 출시를 계획하고 있다.
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