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과학기술정보통신부는 노준석 포항공과대학교(POSTECH) 기계공학과 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로, 메타표면 도파관 안에서 빛의 손실을 대폭 줄여 눈 위치가 바뀌더라도 밝은 영상을 구현하는 광학계 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 연구결과는 세계 3대 학술지 가운데 하나인 네이처지에 12일 새벽 1시(현지시간 11일 오후4시,GMT 기준) 공개됐다. 그동안은 눈을 움직이거나 안경이 조금만 흘러내려도 화면을 보는데 어려움이 있었다. 특히 ▲좁은 시야각 ▲낮은 밝기 ▲낮은 해상도 ▲시야 정합 오차 ▲지연시간 ▲안경 무게감 ▲짧은 배터리 수명 ▲발열 ▲디자인 제약 ▲시력교정 여부 ▲눈의 피로 ▲어지럼증 ▲조작 불편 등 다양한 문제가 제기됐다. 연구팀이 이 가운데 기술적· 하드웨어적인 측면에서 좁은 시야각과 낮은 밝기, 두께 등 일부 문제를 혁신적인 방법으로 해결했다. 기존 AR 안경은 작은 디스플레이에서 나온 빛을 얇은 도파관 안으로 보낸 뒤, 표면 미세구조로 방향을 바꿔 눈에 전달한다. 이 과정에서 일부 빛이 다른 방향으로 빠져나가면서 화면 밝기 정도가 낮아진다. 온라인릴게임 특히 눈으로 보는 영상 범위를 넓힐수록 빛 손실도 커진다. 연구팀은 이를 해결할 방법으로 도파관 안에서 빛 이동 경로를 조절하는 메타표면 도파로를 개발했다. 메타표면은 빛 파장보다 작은 나노구조체를 배열해 빛 위상, 진행 방향 등을 제어하는 광학 구조를 말한다. 또 도파관은 빛이 외부로 빠져나가지 않고 특정 경로를 따라 전달되도록 유도하는 광학 구조다. 도파관 표면에 빛 파장보다 작은 나노구조를 배치하고, 위치에 따라 구조 모양과 간격을 다르게 설계해 빛이 들어오는 각도와 위치에 맞춰 진행 방향을 조절하도록 설계했다. 노준석 교수는 "풀컬러 영상을 구현하기 위해 청색과 녹색을 주로 전달하는 층과 적색과 녹색을 주로 전달하는 층을 결합했다"며 "각 층에는 질화규소(SiNx) 메타표면을 제작하고, 층마다 29개 영역의 나노구조를 다르게 설계해 색상별 전달 효율과 눈으로 향하는 빛의 분포를 조절했다"고 설명했다. 이 같은 방법으로 제작한 도파로를 연구팀은 소형 디스플레이와 결합해 AR 안경 시제품을 구현했다. 바다신2다운로드 노 교수는 "총 1.5㎜ 두께의 광학계에서 대각 시야각 30도를 확보했다. 눈과 도파관 사이 거리 15㎜에서 가로/세로 각각 8㎜ 아이박스를 형성했다"고 부연 설명했다. 아이박스 내 여러 눈 위치에서 영상 중심부 밝기를 측정한 결과, 백색광 휘도 효율은 평균 1,938 nits/lm, 최대 4,225 nits/lm을 나타냈다. 적색 및녹색,청색 평균 휘도 효율은 각각 1,897, 1,977, 2,170 nits/lm로 측정됐다. 이는 색상 간 비교적 균형 잡힌 빛 전달 성능이라는 것이 연구팀 설명이다. 니트 퍼 루멘(nits/lm)은 광속 1루멘당 휘도(니트)의 비율을 나타낸다. 연구팀은 또 실내외 촬영을 통해 실제 풍경 위에 가상 영상을 겹쳐 보여주는 성능도 확인했다. 밝은 야외에서는 흰색 문자 표시, 실내에서는 디스플레이 출력을 30%로 낮춘 상태에서도 컬러 영상을 구현했다고 부연 설명했다. 노준석 교수는 "밝은 야외에서 작은 글자를 더 쉽게 읽을 수 있도록 영상 품질을 높이는 것도 후속 과제"라며 "향후 대면적 나노임프린트 공정으로 제작 기술을 확장하면, 넓은 면적에 나노구조를 정밀하게 복제해 제조비용을 낮추고 생산성을 높일 수 있을 것"이라고 말했다. 170 nits/l