햇빛에도 선명한 AR 안경 나온다…삼성·포스텍 공동개발

메타표면 도파로의 구성과 AR 안경 시제품. (이미지=과학기술정보통신부)

[이데일리 한광범 기자] 삼성전자와 포항공대 연구진이 일반 안경처럼 얇으면서도 햇빛이 비치는 야외에서 글자를 볼 수 있는 증강현실(AR) 안경 기술을 개발했다. 두께 1.5㎜의 초박형 광학계로 컬러 영상을 구현하는 데 성공했으며, 연구진은 3년 이내 상용 제품 적용을 목표로 하고 있다.

과학기술정보통신부는 포스텍 노준석 교수 연구팀과 삼성전자 삼성리서치가 공동 개발한 메타표면 기반 AR 안경 광학기술이 이날 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다고 12일 밝혔다. 이번 연구에는 삼성리서치 윤정근 박사와 포스텍 강현정 박사과정생이 공동 제1저자, 노준석 교수가 교신저자로 참여했다.

AR 안경은 실제 풍경 위에 길 안내나 문자, 영상 등 디지털 정보를 겹쳐 보여주는 기기다. 그러나 기존 기술은 안경을 얇게 만들수록 빛의 손실이 커져 화면이 어두워지는 문제가 있었다. 눈을 움직이거나 안경이 흘러내려도 영상이 보이도록 시청 범위를 넓히면 밝기는 더욱 떨어졌다.

연구팀은 앞서 2년 전 삼성리서치와 함께 렌즈 역할을 하는 도파관 한 장으로 AR 안경을 구현한 바 있다. 하지만 당시 시제품은 실내에서는 영상을 볼 수 있었지만 햇빛이 비치는 야외에서는 화면이 제대로 보이지 않았다. 이번 연구는 이러한 밝기 문제를 해결하는 데 초점을 맞췄다.

연구진들. 왼쪽부터 연구책임자(지도교수) 노준석 포항공대 교수, 공동1저자 윤정근 삼성전자 삼성리서치 박사, 강현정 포항공대 박사과정생. (사진=과학기술정보통신부)

빛 손실 줄여 야외에서도 선명…컬러 영상까지 구현

이번 연구의 핵심은 빛이 렌즈 내부를 이동하는 경로를 새롭게 설계한 것이다. 연구팀은 빛의 파장보다 작은 나노구조를 배열해 빛의 진행 방향을 조절하는 ‘메타표면’ 기술을 활용했다. 작은 디스플레이에서 나온 빛을 눈까지 전달하는 얇은 판인 ‘도파관’에 나노구조를 정밀하게 배치해 기존에 다른 방향으로 빠져나가던 빛을 최대한 눈으로 전달하도록 했다.

색상별 빛의 손실을 줄이는 기술도 적용했다. 파랑·초록 빛을 전달하는 층과 빨강·초록 빛을 전달하는 층을 겹쳐 빨강·초록·파랑의 세 가지 색을 균형 있게 표현했다. 전체 광학계 두께는 1.5㎜에 불과하다.

노 교수는 지난 9일 연구성과 브리핑에서 기존 광학계와 비교해 두께를 절반에서 3분의 1 이하 수준으로 줄일 수 있다고 설명했다. 그는 “중요한 거는 현재 나와 있는 것들이 주로 단색”이라며 “색깔을 풀 컬러로 구현할 수 있다, 이게 핵심”이라고 강조했다.

연구팀은 실제 안경 형태의 시제품을 제작해 성능도 검증했다. 밝은 야외에서 실제 풍경 위에 흰색 문자를 표시하는 데 성공했으며, 실내에서는 디스플레이 출력을 30%로 낮춘 상태에서도 컬러 영상을 구현했다.

야외와 실내에서 촬영한 AR 영상. (이미지=과학기술정보통신부)

대각선 기준 시야각은 30도이며, 눈을 움직여도 영상을 볼 수 있는 범위인 ‘아이박스’는 가로·세로 각각 8㎜다. 백색광의 휘도 효율은 평균 1938니트/루멘, 최대 4225니트/루멘으로 측정됐다. 이는 화면 자체의 밝기가 아니라 투입된 광량 대비 밝기를 나타내는 수치다.

노 교수는 브리핑에서 “실제 디스플레이 출력을 실내에서는 30% 정도만 써도 선명하게 보이고 밖에 나가면 출력을 높여야 되는데 그게 기존 대비했을 때 배터리 소모가 더 많아지는 건 아니다”라고 설명했다.

삼성전자와 산학협력…상용화 목표는 3년 이내

이번 연구는 포항공대의 나노광학 원천기술과 삼성리서치의 디스플레이·시스템 기술을 결합한 성과다. 노 교수는 삼성전자와의 협력에 대해 “학교에서 메타렌즈를 설계하고 만드는 기술이 확보돼 있고, 삼성전자 같은 경우에는 디스플레이라든지 전체 시스템을 가지고 있는 상황”이라며 “서로 결합할 수 있는 유리한 상황이었고, 그래서 산학협력을 진행하게 됐다”고 설명했다.

다만 삼성전자 제품에 실제 적용될지는 아직 확인되지 않았다. 노 교수는 후속 협력 계획에 대해 “지금 현재 제가 말씀드리긴 어렵고, 그러나 발전적으로 진행이 되고 있다”고 밝혔다.

상용화까지 해결할 과제도 남아 있다. 강한 햇빛 아래서 작은 글자까지 쉽게 읽을 수 있도록 밝기를 높여야 하며, 외부 빛으로 인해 무지개처럼 색이 번지는 현상도 개선해야 한다. 현재 두 장인 도파관을 한 장으로 줄이고 대량생산 공정을 적용하는 연구도 필요하다.

연구팀은 기존 AI 안경의 광학계를 교체하는 방식으로 기술 적용을 앞당길 수 있을 것으로 보고 있다. 노 교수는 “그런 것들의 대체를 통해서 빠르게 적용을 해본다든지 하는 시간이 2~3년 정도”라며 “3년 이내로 실제 판매할 수 있는 AI글래스, 메타렌즈가 적용된 AI글래스를 만드는 것이 목표”라고 전했다.