햇빛 아래서도 글자가 또렷…일상용 AR 안경 상용화 한 걸음

김종화 기자

입력 2026.11.12 01:01

포스텍·삼성리서치, 두께 1.5㎜ 초박형 광학계 개발
빛 손실 줄여 야외 문자 구현…국제학술지 '네이처' 게재

햇빛이 강한 야외에서도 길 안내나 문자 정보를 눈앞에 보여주는 증강현실(AR) 안경의 상용화를 앞당길 광학 기술이 개발됐다. 국내 연구진이 빛의 손실을 줄이는 새로운 설계 기술을 적용해 두께 1.5㎜의 초박형 광학계로 밝은 야외에서도 가상 문자를 표시하는 데 성공했다. 얇은 광학계와 화면 밝기를 동시에 확보하기 어려웠던 기존 AR 안경의 기술적 한계를 개선하면서 일상용 스마트 안경 개발에 새로운 가능성을 열었다.

메타표면 도파로의 구성과 AR 안경 시제품. 메타표면 도파로를 활용한 AR 안경의 작동 원리(상단)와 실제 시제품(하단 왼쪽), 도파로의 단면 구조(하단 오른쪽). 적색·녹색과 청색·녹색 빛을 전달하는 두 층을 결합해 두께 1.5㎜의 광학계로 풀컬러 영상을 구현했다. 연구진 제공

과학기술정보통신부는 노준석 포항공과대학교(POSTECH) 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로 빛의 손실을 줄이면서 눈의 위치가 바뀌어도 밝은 영상을 볼 수 있는 '메타표면 도파관' 기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처(Nature)'에 이날 게재됐다.

AR 안경은 실제 풍경 위에 길 안내나 문자, 영상 등 디지털 정보를 겹쳐 보여주는 장치다. 일반 안경처럼 일상에서 사용하려면 얇고 가벼워야 할 뿐 아니라 햇빛이 강한 야외에서도 화면이 잘 보여야 한다. 눈을 움직이거나 안경이 조금 흘러내려도 영상이 안정적으로 유지되는 것도 중요하다.

기존 AR 안경은 소형 디스플레이에서 나온 빛을 얇은 도파관 내부로 전달한 뒤 미세구조를 이용해 눈으로 보내는 방식을 사용한다. 도파관은 빛이 정해진 경로를 따라 이동하도록 유도하는 광학 구조다. 그러나 빛이 여러 차례 방향을 바꾸는 과정에서 일부가 다른 방향으로 빠져나가 영상이 어두워지는 문제가 있었다. 특히 눈을 움직여도 영상을 볼 수 있는 범위를 넓힐수록 빛의 손실이 커졌다. 빨강·초록·파랑 빛의 전달 효율이 서로 달라 특정 색상이 지나치게 밝거나 어둡게 보이는 현상도 해결해야 할 과제였다.

빛 손실 줄이는 나노구조 설계…1.5㎜ 광학계 구현

연구팀은 개별 미세구조의 빛 전달 효율을 높이는 기존 접근에서 나아가 도파관 전체에서 빛이 이동하는 경로를 정밀하게 설계했다. 빛의 파장보다 작은 나노구조를 도파관 표면에 배치하고, 위치와 빛이 들어오는 각도에 따라 구조의 모양과 간격을 다르게 조절했다.

이를 통해 기존에는 손실되던 빛을 영상 형성에 더 많이 활용하도록 했다. 빛이 이동하는 경로를 계산하는 광선 추적과 전자기 해석을 결합해 도파관 전체의 빛 전달 경로와 각 영역의 광학 특성을 함께 최적화한 것이 핵심이다.

야외와 실내에서 촬영한 AR 영상. 밝은 야외에서 흰색 문자를 표시한 모습(상단 왼쪽·가운데)과 실내에서 구현한 컬러 영상(상단 오른쪽). 하단은 어두운 환경에서 색상 표현과 명암·해상도를 평가한 결과다. 연구진 제공

색상별 빛 전달 효율의 차이를 줄이기 위해 두 개의 도파관 층도 결합했다. 하나는 파랑·초록빛을, 다른 하나는 빨강·초록빛을 주로 전달하도록 설계했다. 각 층에는 질화규소(SiNx) 기반 메타표면을 적용하고, 29개 영역마다 서로 다른 나노구조를 배치해 빛의 방향과 분포를 제어했다.

연구팀은 이를 바탕으로 전체 두께 1.5㎜의 광학계를 제작해 AR 안경 시제품에 적용했다. 도파관 한 층의 무게는 5.2g으로, 양쪽 렌즈에 사용된 도파관의 총무게는 20.8g이다. 대각선 기준 시야각은 30도였으며, 눈과 도파관 사이 거리가 15㎜일 때 가로·세로 각각 8㎜ 범위에서 영상을 볼 수 있도록 했다. 이처럼 눈의 위치가 달라져도 영상을 관찰할 수 있는 공간을 '아이박스(Eyebox)'라고 한다.

성능 측정 결과, 아이박스 내 여러 눈 위치에서 영상 중심부의 백색광 평균 휘도 효율은 1938니트/루멘(nits/lm), 최대 4225니트/루멘으로 나타났다. 이는 광학계에 들어오는 빛의 양 대비 눈에 전달되는 영상 밝기를 나타내는 지표다. 빨강·초록·파랑의 평균 휘도 효율도 각각 1897, 1977, 2170니트/루멘으로 측정돼 색상별 빛 전달 성능도 비교적 균형을 이뤘다.

야외 문자·실내 컬러 영상 구현…상용화 과제도 남아

실제 안경 시제품을 이용한 시험에서는 밝은 야외 풍경 위에 흰색 문자를 겹쳐 표시하는 데 성공했다. 실내에서는 디스플레이 출력을 30%로 낮춘 상태에서도 컬러 영상을 구현했다. 얇은 광학계에서도 빛의 손실을 줄이면 다양한 주변 밝기에서 가상 영상을 표시할 수 있음을 보여준 결과다.

특히 이번 기술은 일상용 AR 안경의 핵심 과제인 광학계 두께와 화면 밝기, 눈의 움직임을 허용하는 범위 사이의 상충관계를 완화했다는 점에서 의미가 있다. 향후 길 안내나 작업 정보 등을 눈앞에 표시하는 스마트 안경에 활용될 수 있으며, 빛의 전달 효율을 높여 디스플레이의 전력 소모를 줄이는 데도 기여할 것으로 기대된다.

다만 실제 제품으로 상용화하기 위해서는 추가적인 기술 개발이 필요하다. 연구팀은 평균 휘도 효율을 현재 약 2000니트/루멘에서 3000니트/루멘 이상으로 높이고, 눈의 위치가 달라져도 영상을 볼 수 있는 아이박스 전체에서 일정 수준 이상의 밝기를 확보하는 것을 목표로 제시했다. 현재는 아이박스 일부 가장자리에서 밝기가 떨어지고, 태양을 정면으로 바라볼 때 빛이 무지개처럼 번져 보이는 현상도 나타난다. 눈의 위치와 영상 영역에 따른 색상 차이, 야외에서 작은 글자를 읽기 어려운 문제도 개선해야 한다.

연구진 사진. 과기정통부 제공

연구팀은 두 장의 도파관을 한 장으로 줄이는 후속 연구와 함께 넓은 면적에 나노구조를 정밀하게 복제하는 나노임프린트 공정을 적용해 대량생산 가능성을 검증할 계획이다. 인공지능(AI) 기반 영상 처리 기술과 결합해 주변 밝기에 따라 영상의 색과 대비를 자동으로 조절하는 방안도 검토하고 있다.

노 교수는 "이번 연구 성과는 렌즈 안에서 빛의 이동 경로를 정교하게 제어해 얇은 렌즈로도 야외에서 밝고 선명한 영상을 구현할 수 있음을 보여준 것"이라며 "향후 빛에 의한 무지개 번짐 현상을 개선하고 대량생산 기술을 확보하는 한편, AI 기반 맞춤형 영상 처리와 연계해 일상에서 편안하게 쓰는 AR 안경으로 발전시켜 나갈 것"이라고 말했다.