"한낮 햇빛 아래서도 내비·문자 쨍쨍"…1.5㎜ 초박형 AR 안경 기술 개발

포항공대·삼성리서치, 빛 손실 줄인 초박형 AR 광학계 도파관 개발…네이처 게재

나노구조로 빛 손실 잡고 도파관 두께 축소…한낮에 흰색 문자·컬러 영상 구현

밝기·무지개 번짐·양산은 과제…3년 내 판매 가능한 AI 안경 개발 목표

[멘로파크=AP/뉴시스] 마크 저커버그 메타플랫폼(메타) 최고 경영자(CEO)가 25일(현지시각) 미 캘리포니아주 멘로파크 메타 본사에서 열린 연례 개발자 콘퍼런스 '커넥트 2024' 중 레이밴 메타 스마트 안경 '오라이언'을 소개하고 있다. 메타는 이날 스마트폰의 뒤를 이을 안경처럼 쓰는 증강현실(AR) 스마트 안경 '오라이언' 시제품을 공개했다. 검은색 뿔테 안경처럼 생긴 '오라이언'은 안경처럼 쓰면서 문자 메시지는 물론 화상 통화, 유튜브 동영상까지 볼 수 있다. 2024.09.26.

[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 길을 걷다가 일반 안경 너머로 내비게이션 안내가 눈앞에 떠오른다. 눈앞 풍경을 그대로 보면서 스마트폰 문자 메시지를 척척 확인한다.

증강현실(AR) 안경이 우리 일상에 무사히 자리 잡으려면, 이 같은 가상 화면이 어두운 실내뿐 아니라 강한 햇빛이 내리쬐는 한낮 야외에서도 뚜렷하게 잘 보여야 한다.

AR 안경을 하루 종일 편하게 쓰려면 일반 안경처럼 얇고 가볍게 만들어야 한다. 하지만 화면을 환하게 띄우려면 더 많은 빛과 전력이 들어간다. 얇은 두께와 야외 화면 밝기를 동시에 잡는 것이 그동안 AR 안경의 가장 까다로운 숙제였다.

국내 연구진이 빛의 이동 경로를 정교하게 설계해 이러한 한계를 개선한 초박형 AR 안경 광학 기술을 개발했다. 실제 안경 형태의 시제품에서 밝은 야외의 선명한 흰색 문자와 실내 컬러 영상을 구현했다. 삼성전자 연구조직도 개발에 참여해 향후 AI(인공지능) 안경 상용화로 이어질지 주목된다.

과학기술정보통신부는 12일 포항공과대학교(POSTECH) 노준석 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로 1.5㎜ 두께의 '메타표면 도파관'을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처'에 게재됐다.

메타표면 도파로의 구성과 AR 안경 시제품. 상단은 소형 디스플레이와 두 개의 메타표면 도파로를 이용해 실제 풍경 위에 가상 영상을 겹쳐 보여주는 AR 안경의 개념도다. 하단 왼쪽은 제작한 AR 안경 시제품, 오른쪽은 적색·녹색 층과 청색·녹색 층 사이에 간격재를 배치한 도파로의 측면 모습이다. (사진=노준석 포항공대 교수·과학기술정보통신부 제공) *재판매 및 DB 금지

안경 속 빛의 '새는 길' 잡았다…얇아도 야외에서 글씨 보여

AR 안경은 작은 디스플레이가 만든 영상을 렌즈처럼 생긴 투명한 판에 보내 실제 풍경 위에 겹쳐 보여준다. 이 판은 '도파관'이라고 불린다. 빛을 안경테 쪽에서 받아 판 내부로 이동시킨 뒤 눈앞으로 꺾어 보내는 일종의 빛 통로다. 화면을 실제 눈앞에 놓는 것이 아니라, 옆에서 만든 이미지를 렌즈 속으로 실어 나르는 방식이다.

문제는 빛이 안쪽에서 여러 차례 방향을 바꾸는 동안 일부가 엉뚱한 곳으로 빠져나간다는 점이다. 눈을 조금 움직여도 화면이 보이도록 영역을 넓히면 빛의 손실은 더 커진다. 빨강·초록·파랑 빛이 지나가는 방향과 효율도 달라 색이 고르게 나오지 않는 문제가 있었다.

연구팀은 개별 지점에서 빛을 잘 꺾는 데 그치지 않고, 도파관 전체에서 빛이 눈까지 도달하는 여러 경로를 계산했다. 길을 잃고 새어 나가던 빛을 되도록 눈으로 보내도록 통로 자체를 다시 설계한 것이다.

이는 어느 한 부분만 밝게 만드는 대신 화면 전체와 눈의 움직임까지 고려했다는 점에서 기존의 접근과 다르다. 빛의 파장보다 작은 나노구조를 배열해 방향을 조절하는 '메타표면' 기술을 활용했다.

색 표현을 위해서는 파랑·초록 빛을 담당하는 층과 빨강·초록 빛을 담당하는 층을 겹쳤다. 각 층의 29개 영역에 서로 다른 나노구조를 배치해 색상별 빛의 전달 효율을 조정했다.

이 두 층을 합친 두께는 1.5㎜다. 초록색 빛은 두 층에서 함께 전달하고, 손실되기 쉬운 빨간색 빛은 별도 층에서 보완하는 구조다. 기존 회절광학소자(DOE) 도파관의 3㎜ 이상과 비교하면 절반 수준이다.

시제품은 대각선 방향 시야각 30도와 눈의 위치가 가로·세로 8㎜ 범위에서 달라져도 영상을 볼 수 있는 '아이박스'를 확보했다. 평균 휘도 효율은 1938니트/루멘(nits/lm)으로 측정됐다.

연구팀은 실제 풍경 위에 영상을 겹쳐 보여주는 시험에서 밝은 야외에서는 흰색 글씨를, 실내에서는 디스플레이 출력을 30%로 낮추고도 컬러 영상을 확인했다. 같은 화면을 보여주는 데 필요한 광원 출력을 줄일 여지가 있다는 설명이지만, 아직 완제품의 배터리 사용시간이 늘어났다고 검증한 단계는 아니다.

야외와 실내에서 촬영한 AR 영상. 상단 왼쪽과 가운데는 밝은 야외에서 실제 풍경 위에 흰색 문자를 표시한 모습, 오른쪽은 밝은 실내에서 구현한 컬러 영상이다. 하단은 어두운 환경에서 촬영한 빨강·초록·파랑 영상과 과일 이미지, 명암과 해상도를 평가하기 위한 격자 및 지멘스 스타 패턴이다. 다양한 주변 밝기에서 가상 영상을 구현하고, 색 표현과 세부 무늬의 구분 정도를 확인한 결과를 보여준다. (사진=노준석 포항공대 교수·과학기술정보통신부 제공) *재판매 및 DB 금지

삼성리서치와 공동 개발…3년 내 판매 가능한 AI 안경 목표

이번 연구는 2년 전 연구팀이 선보인 단일층 AR 안경의 한계를 보완한 결과이기도 하다. 당시에는 얇은 렌즈로 컬러 화면을 구현했지만 실내와 달리 야외에선 빛이 부족해 영상이 잘 보이지 않았다.

이번에는 두께를 다소 늘리는 대신 두 층으로 빛의 효율을 높여 야외 활용 가능성을 확인했다. 연구팀은 최종적으로 두 층을 다시 한 층으로 줄여 1㎜ 미만 두께에서도 같은 성능을 내는 것을 추진하고 있다.

이번 연구에서는 삼성리서치 윤정근 박사가 포항공대 강현정 박사과정생과 함께 논문의 공동 제1저자로 참여했다. 노 교수는 학교의 메타렌즈 설계·제작 원천기술과 삼성전자의 디스플레이·시스템 역량이 결합해 산학협력이 이뤄졌다고 설명했다.

다만 해당 기술의 향후 삼성전자 제품 탑재 여부는 확정되지 않았다. 노 교수 또한 "발전적으로 진행이 되고 있다"고만 밝혔다.

아울러 상용화까지는 넘어야 할 산이 있다. 평균 휘도 효율을 현재 약 2000니트/루멘에서 3000니트/루멘 이상으로 높이고, 눈의 위치에 따른 밝기 차이를 줄여야 한다. 햇빛을 정면으로 바라볼 때 나타나는 무지개 같은 번짐도 개선 대상이다.

노 교수 역시 햇빛이 아주 강한 환경에서까지 완벽히 보기 위해서는 밝기를 더 높여야 한다고 인정했다. 현재 연구실에서 사용한 전자빔 공정을 반도체 공정이나 대면적 나노임프린트 공정으로 바꿔 대량생산 가능성을 검증하는 작업도 남았다.

노 교수는 도파관뿐 아니라 배터리 용량과 광원, 프로젝터, 통신 등의 기술도 함께 개선돼야 한다고 설명했다. 기존 AI 안경에 새 광학계를 적용하는 방식이라면 2~3년 정도를 내다봤다. 그는 3년 이내 실제 판매할 수 있는 메타렌즈 적용 AI 안경을 만드는 것이 목표라고 밝혔다. 일상에서 편하게 쓰는 AR 안경에 한 걸음 다가섰지만, 당장 출시가 확정된 제품은 아니라는 의미다.


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