Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(3)

메타표면 AR 광학기술

김휘_고려대학교 세종캠퍼스 전자정보공학과 교수

1. AR 광학기술의 소개

증강현실(Augmented reality: AR)은 사용자가 현실감을 느끼면서 현실에서 부재한 정보들을 가상 영상으로 중첩하고 다양한 상호작용을 가능하게 하는 초경계 초실감 상호작용 기술을 말한다. AR 광학기술은 실제로 존재하는 물리적인 현실 세계에 가상의 영상 정보를 증강시켜 추가적인 영상 정보를 실시간으로 제공하는 시각화 기술이다. 1960년대에 컴퓨터 그래픽의 선구자인 I. E. Sutherland를 비롯한 하버드 대학교 및 유타대학교의 학생들이 제작한 Head mounted display(HMD)가 최초의 AR 디스플레이 프로토타입으로 제시되었다. 1990년대에 보잉사의 T. P. Caudell과 D. W. Mizell에 의해 “Augmented Reality” 즉, 증강 현실이라는 용어가 처음 제시되었고, 이후 수많은 연구를 통해 AR을 구현하는 플랫폼이 컴퓨터에서 시작하여 스마트폰 등으로 전달되면서 모든 장비들의 소형화 및 경량화가 주목받고 있다. 모바일 기기들의 발달로 언제 어디서나 모바일 디지털 환경에 접근이 가능해지면서 AR 기술은 다양한 응용분야에 두각을 나타내게 되었다. 의학, 자동차, 제조, 엔터테인먼트, 군사, 교육, 일상 생활 등 많은 분야에서 상용화의 가능성을 제시되고 있다(그림 1).
/Medical
Driving
Manufacture
Game

Military
Education
Daily life

그림 1. AR이 적용되는 다양한 분야 예시

2. AR 광학 설계 기술

AR 광학기술의 핵심은 광학 컴바이너 기술에 있다. AR 영상을 현실에 중첩 결합시켜주는 광학소자를 광학 컴바이너라고 하며, 안경형 AR 디스플레이(AR HMD)와 같은 웨어러블 디바이스를 비롯하여 자동차용 Head up display(HUD)등에서 광학 컴바이너 기술의 연구 개발이 활발하다(그림 2).
　　
HMD
HUD

그림 2. AR을 구현하는 대표적 플랫폼 (HMD, HUD)

　　
　　안경형 AR 소자는 기기의 경량화를 통해 사용자에게 편안한 착용감을 제공함과 동시에 고성능 이미지를 전달해야하는 기술적 요구조건을 충족하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다[1, 2]. 안경형 AR 소자의 광학 컴바이너는 기기에 부착된 마이크로 디스플레이에서 출력되는 영상을 시청자의 양안으로 투사시켜줌과 동시에 현실세계를 어떠한 왜곡 없이 전달하는 See-through 시각인지 기능을 구현해야 한다. 일반적으로는 시청자가 see-through를 인식할 때는 시각적 왜곡없이 투명한 유리를 통해 보는 듯한 자연스러움을 느껴야 한다.
　　한편, 광학 컴바이너를 설계할 때, 사용자에게 실감나는 AR 영상을 제공하기 위해서 field of View(FoV), eye motion box(EMB), vergence accmmodtion conflict (VAC), 그리고 aberration 등의 요소들을 고려해야한다. FoV란, 이미지와 시청자의 눈이 이루는 solid angle을 의미하며 시청자가 볼 수 있는 이미지의 크기를 표현하는 요소이고 EMB는 이미지를 관찰할 수 있는 허용 범위를 의미하는 요소로 서로 trade off 관계이다. VAC는 3차원 이미지의 경우 실제 이미지의 깊이와 인지되는 이미지의 깊이의 불일치로 발생하는 시각인지 유발 피로감을 나타낸다. 마지막으로 aberration은 파장에 따라 광경로의 차이가 발생하여 발생하는 이미지 왜곡을 의미한다(그림 3).

그림 9 나노포토닉스와 freeform optics의 결합한 metaform optics 예시

그림 10 메타표면이 임베디드된 콘택트 렌즈를 이용한 AR 시스템　

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