메타렌즈, AR·VR 안경 바꾸나...더 얇고 가벼워질 기술 나와

선명한 풀컬러용 메타렌즈
노준석 포스텍 교수팀 개발
대량생산 가능해 기대 고조

노준석 포스텍 교수가 색수차를 보정하는 메타렌즈를 개발하고 대량생산하는 데 성공했다. [사진=포스텍]

두껍고 무거운 유리 렌즈의 한계를 극복하는 메타렌즈 기술이 빠르게 상용화에 가까워지고 있다. 상용화를 이끌어온 노준석 포스텍 교수는 이번에도 메타렌즈의 상용화 가능성을 더 높였다. 이번 상용화 대상은 증강현실(AR)·가상현실(VR) 안경이다.

노준석 포스텍 교수는 메타렌즈로 선명한 풀 컬러 영상을 만드는 기술을 잇달아 개발했다고 11일 밝혔다. 개발된 메타렌즈를 이용하면 AR‧VR 안경 렌즈가 기존 대비 2~3배 이상 얇고 가벼워질 수 있다.

AR·VR 렌즈가 일반 안경 렌즈보다 두꺼운 건 눈앞에서 나오는 빛을 많이 굴절시켜야 하기 때문이다. 디스플레이 빛은 눈과 불과 수 센티미터 떨어진 곳에서 나오지만, 시야각을 확보하려면 더 멀리 떨어진 것처럼 보여야 하기 때문이다.

일반 렌즈는 두꺼울수록 빛을 많이 굴절시킨다. 이에 일반 안경 렌즈가 약 5밀리미터 수준인 반면, AR·VR 렌즈는 20~30밀리미터인 경우가 많았다. 장비를 무겁게 만들고 상용화를 어렵게 만든 주된 요인이다.

메타렌즈는 얇은 두께로도 빛을 많이 굴절시킬 수 있다. 렌즈 안에는 빛의 파장보다 작은 나노 구조물이 빽빽하게 들어있어 빛의 위상을 미세하게 조절할 수 있기 때문이다. 이에 일반 렌즈를 대체할 수 있는 유력한 물질로 꼽혔다.

다만 메타렌즈에서는 빛의 색깔별로 다르게 굴절되는 ‘색수차’ 문제를 풀기 어려웠다. 색수차를 해결하지 못하면 빛을 한 점에 정확하게 모을 수 없고, 초점이 또렷한 영상을 만들 수 없다.

메타렌즈 상용화의 대가로 불리는 노 교수는 이번에 색수차 문제를 해결하는 메타렌즈를 개발했다. 메타렌즈에 들어있는 나노 기둥의 높이를 조절하자 빛의 색깔별로 굴절률을 조절할 수 있고, 여러 색의 빛을 한 점에 모을 수 있었다.

노 교수는 해당 원리를 실제 제품으로 만들어내고 대량 생산까지 하는 데 성공했다. 3D 정밀 인쇄 기술로 나노 기둥을 직접 찍어냈고, 인공지능(AI)을 활용해 메타렌즈 안에 적절하게 배치했다.

유기발광다이오드(OLED) 디스플레이에서 실험한 결과, 새로 만들어진 메타렌즈는 값싼 재료로도 색이 번지지 않고 선명한 풀 컬러 이미지를 구현했다.

도장처럼 찍어내는 대량생산도 가능하다. 노 교수는 2023년 메타렌즈를 세계 최초로 대량생산하는 데 성공했는데, 이번에 색수차를 해결하는 메타렌즈까지 대량생산했다. 기존에 사용하던 나노임프린트 공정을 개선해 높이가 있는 나노 기둥 메타렌즈도 같은 공정으로 생산했다.

이번 연구로 메타렌즈는 실제 산업 수요에 더 가까워졌다. 또렷하고 선명한 화면을 원하는 위치에 둘 수 있게 되면서 실제 렌즈를 대체할 가능성이 더 높아졌다는 평가다. 노 교수는 메타렌즈의 성능을 개선하는 동시에 대량 생산 기술까지 확보해 메타렌즈 상용화의 두 축을 모두 세웠다.

노 교수는 “고차원 나노 공정기술로 AR·VR용 풀 컬러 무색수차 메타렌즈를 실제 산업에서 활용하기 위한 제조 기술을 제시했다”며 “더 가볍고 얇은 AR·VR 안경과 차세대 디스플레이는 물론, 이미징이나 광학센서 같은 다양한 광학 산업에도 폭넓게 활용될 것”이라고 했다.

노준석 포스텍 기계·화학·전자전기공학과 및 융합대학원 교수. [사진=포스텍]