서울대-기계연 공동 연구진이 개발한 ‘시스루 메타렌즈’의 원리. 서울대 제공.

국내 연구진이 증강현실(AR) 디스플레이의 상용화에 걸림돌이던 시야각 문제를 해결할 방법을 알아냈다. 
이병호 서울대 전기·정보공학부 교수팀, 정준호 한국기계연구원 나노융합기계연구본부장 공동연구팀은 기존 증강현실 안경렌즈의 근본적인 문제점인 시야각을 대폭 향상한 ‘경량 평면 나노 소자’를 개발했다고 5일 밝혔다.

AR은 눈 앞에 보이는 풍경 위로 이미지나 글자를 직접 투영하는 기술이다. 그러나 AR기능을 구현하는 투명 디스플레이는 크기와 시야각에 한계가 있어 실용화의 걸림돌이 돼왔다.

연구진은 AR 전용렌즈를 개발하기 위해 먼저 두께 100㎚(나노미터, 1㎚는 10억분의 1m) 수준의 메타물질을 제작하고 ‘시스루 메타렌즈’라는 이름을 붙였다. 이 렌즈는 보통 안경렌즈처럼 눈앞의 현실 이미지를 그대로 보여주지만 빛의 파장보다 더 크기가 작은 무늬를 물질표면에 새겨 넣어 빛의 굴절을 원하는 대로 제어할 수 있다. 

시스루 메타렌즈는 얇고 가벼워 증강현실 안경의 접안렌즈로 이용하면 기존 방식에 비해 시야각을 크게 넓힐 수 있다. 기존 렌즈들과 달리 사용자의 눈 바로 앞에 위치시킬 수 있어서, 고성능 효율성을 극대화할 수 있는 것도 장점이다.

메타물질 기술을 AR렌즈에 적용하려는 연구는 많았지만 기술적인 한계로 지름 1㎜이하의 작은 크기로 밖에 만들 수 없었다. 연구진은 메타렌즈를 지름 2㎝ 크기로 제작했다. 사람의 눈동자 크기보다 크므로 월등히 큰 시야각을 구현할 수 있다. 실험 결과 시야각은 90도의 정도로, 기존 증강현실 안경에 비하면 10배 이상의 넓은 시야 영역을 확보할 수 있어 몰입감을 훨씬 키울 수 있다.

이 교수는 “세계 최초로 메타물질 표면 구조를 이용한 나노 소자를 이용해 통해 증강현실의 시야각 해결법을 마련했다”며 “공정상 대량 생산 역시 가능해 차세대 디스플레이 경쟁에서 핵심 기술을 선점할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈((Nature Communications)’ 1일자에 게재됐다.
 

시스루 메타렌즈의 분자구조. 서울대 제공.