College Of Engineering
서울공대 이야기
서울대 이병호 교수팀,
넓은 시야각 증강현실(AR) 안경 위한 경량 평면 렌즈 개발

- 기존 안경형 디스플레이의 시야각 한계점을 메타표면 렌즈를 통해 획기적으로 극복


서울대 이병호 교수 공동 연구팀 (왼쪽부터 전기·정보공학부 이병호 교수, 이건열 연구원,
고려대 전자및정보공학과 김휘 교수, 한국기계연구원 정준호 박사)
 
서울대 공대(학장 차국헌)는 전기·정보공학부 이병호 교수 공동 연구팀이 기존 증강현실(AR, Augmented Reality) 안경의 근본적인 문제점인 시야각을 대폭 향상시키는 경량 평면 나노 소자를 개발했다고 밝혔다.
 
증강현실은 현실 세계에 가상의 이미지를 합쳐 보여주는 기술이다. 현재 구글의 구글 글라스, 마이크로소프트의 홀로렌즈를 비롯한 다양한 증강현실 안경과 HMD(Head Mounted Display) 제품이 경쟁적으로 출시되고 있다.
 
하지만 기존의 증강현실 안경은 광학 소자의 한계로 인해 시야각이 좁다는 문제점을 갖고 있다. 특히 넓은 시야의 가상 이미지를 지원하기 위해 고광각 렌즈를 사용할 경우 무게와 부피가 크게 늘어나 실용적이지 못하다는 한계가 있다.
 
이에 서울대 이병호 교수, 고려대 김휘 교수, 한국기계연구원 정준호 박사의 공동 연구팀은 두께가 100nm(1nm=10억분의 1미터, 10-9m) 수준의 나노 소자인 ‘메타표면(metasurface)’을 이용해 새로운 렌즈 소자를 개발했다. 메타표면이란 빛의 파장보다 작은 나노 구조체들의 패턴으로 이뤄진 2차원적 평면 구조로서, 자연에 존재하지 않는 다양한 광학 특성을 보인다는 점에서 큰 관심을 받고 있다.
 
연구팀이 개발한 렌즈 소자는 현실 이미지가 투명하게 보이는 ‘시스루 메타렌즈(see-through metalens)’다. 가상 이미지에 대해서는 0.61의 높은 개구수(numerical aperture)를 갖는 고광각 렌즈로 동작한다. 또한 렌즈의 두께가 100nm로 얇고 가볍기 때문에 머리 장착 디스플레이에 응용하기에 매우 적합한 소자다.
 
연구팀은 이러한 소자를 실리콘 나노 구조로 구현했다. 지금까지 해외 연구진들은 메타렌즈를 1mm 이하 지름의 작은 크기로 밖에 만들 수 없어 실용적으로 응용하기에 어려움이 있었다. 이에 반해 이병호 교수팀은 메타렌즈를 2cm지름의 큰 크기로 제작했다. 또 나노 임프린트 공정으로 대량 생산의 가능성을 제시했다.
 
시스루 메타렌즈 소자를 통해 증강현실 접안안경을 구성하면 시야각을 획기적으로 올릴 수 있다. 또 현미경 렌즈 급의 고성능을 갖고 있어 더 넓은 시야를 제공한다. 기존 렌즈들과 달리 사용자의 눈 바로 앞에 위치시킬 수 있어서, 고성능 효율성을 극대화할 수 있다. 
 
이번 연구 결과에 의하면 100도 이상의 증강현실 시야각이 구현 가능하며, 실험적으로 90도의 시야각을 확인했다. 기존 증강현실 안경들의 시야각이 25도 정도인 것을 감안하면, 10배 이상의 넓은 시야영역을 확보할 수 있어 훨씬 더 큰 몰입감을 사용자에게 줄 것으로 기대된다.
 
이병호 교수는 “세계 최초로 메타표면 구조를 이용한 나노 소자 개발을 통해 증강현실의 시야각 해결법을 마련했다”며, “가상현실과 증강현실, 3차원 이미징을 포함한 차세대 디스플레이 기술 개발을 위한 세계적 경쟁에서 핵심 기술을 선점할 수 있을 것”이라고 설명했다. 
 
이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업의 지원을 받았으며, 또한 글로벌 프론티어 과제 사업단의 지원을 받았다. 연구 성과는 국제 저명 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 11월 1일자로 게재됐다.


[참고자료]
네이처 커뮤니케이션즈: https://www.nature.com/articles/s41467-018-07011-5

▲ 시스루 메타렌즈(see-through metalens)를 통한 증강현실 개념도


▲ 시스루 메타렌즈(see-through metalens) 샘플 사진


▲ 제안된 소자를 통해 구현된 증강 현실 디스플레이
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