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    • [연재 3] 메타물질을 이용한 가상(VR)/증강(AR)현실 연구

         POSTECH 기계공학과/화학공학과 / 2020-06-02 오전 9:52:21





    가상증강현실은 가상현실(Virtual Reality, VR)과 증강현실(Virtual Reality)을 통칭하는 것으로, 사용자가 상호작용할 수 있는 가상환경을 구축하는 것을 뜻한다. 언뜻 보기에 비슷해 보이는 가상현실과 증강현실은 기능에 따라 분류된다. 가상현실은 사용자가 느끼는 모든 환경이 컴퓨터에 의해 인공으로 설계되고 현실의 영향이 없지만 고정된 공간에서만 활용할 수 있다는 특징이 있다. 최근 게임이나 각종 디스플레이 분야에서 주목받고 있는 HMD(Head_Mounted Display) 또한 사용자에게 입체감 있는 디스플레이를 제공하는 가상현실 디바이스라고 볼 수 있다. 증강현실은 대부분의 환경에 실제에 기반해 있고 일부만 인공적으로 생성된다. 사용자는 현실과 가상세계의 상호작용을 통해 공간적 제약없이 가상으로 주어진 컨텐츠를 경험할 수 있다. 현재까지의 가상증강현실은 아직 시각과 청각적인 요인의 구현에 머물러있지만 컴퓨터를 통해 나머지 오감(청각, 후각, 미각)들을 생성하는 기술들 또한 활발하게 연구되고 있다.

    가상증강현실의 구현을 위해선 사용자가 이질감이나 불편함을 느끼지 않도록 실시간으로 연속적인 입체적 광학 정보를 전달해야 하기 때문에 기존의 2차원 디스플레이보다 더 많은 데이터 통신이 필요하다. 최근 5G의 상용화로 대용량의 데이터 통신이 가능해지면서 사용자가 실제로 몰입할 수 있는 가상증강현실의 구현이 가능해지고 있다. 현재 Digital Capital에서는 가상증강현실의 시장 규모가 2022년 1,050억 달러가 넘을 것으로 예상하고 있으며 시장조사기관인 Gartner는 ‘2019년 Top 10 전략기술’로 몰입기술을 선정할 만큼 가상증강현실은 차세대 미디어 플랫폼으로써 많은 주목을 받고 있다. 이에 따라 세계적인 기업들이 높은 몰입감과 입체적 화면을 제공하는 가상증강현실 구현에 뛰어들고 있고 가상증강현실 구현 기기의 경량화, 편의성, 넓은 시야각, 높은 화질, 합리적인 가격 등 다양한 과제들이 남아있으며 현재에도 활발한 연구중에 있다.

    메타물질은 작은 부피 혹은 영역에 나노 구조물을 높은 밀도 (Filling Factor)로 배치해 전자기파를 목적에 따라 자유롭게 제어할 수 있다는 특성 덕분에 경량화, 높은 성능, 공정의 최적화가 요구되는 광학 소자로서 큰 강점을 보인다. 특히 메타표면의 경우 전자기파에 반응하는 나노 구조물들을 2차원 평면에 배치한 것이기 때문에 기존과 같은 전자기파 제어가 가능하면서 One-step lithography와 같은 대면적 공정이 가능하다는 특징이 있다. 이처럼 메타물질/메타표면을 사용하면 가상증강현실 기기의 경량화 및 높은 성능을 이끌어 낼 수 있으며 활용 분야는 크게 두가지로 볼 수 있다.

    첫번째는 가상증강현실 기기의 렌즈이다. 기기 내에서 광학적 정보를 포함한 빛이 렌즈를 거쳐 사용자의 눈에 도달하게 되면 도달한 빛의 입사각에 따라 사용자는 렌즈 너머 특정한 공간에 상(image)가 있다고 착각하게 된다. 사용자가 보는 상의 해상도, 색, 시야각(Field of View) 모두 렌즈의 광학적 특성에서 비롯되기 때문에 렌즈는 가상증강현실 기기의 성능을 결정하는 가장 큰 요인이다. 메타물질 기반의 렌즈인 메타렌즈(Metalens)를 통해 가상증강현실 기기의 렌즈를 만들게 되면 기존 렌즈의 가장 큰 단점 중 하나인 좁은 시야각 문제를 해결할 수 있고, 해상도를 크게 증가시킬 수 있으며, 제품의 경량화에 일조할 수 있다.

    또한 메타물질은 가상증강현실에서 필요한 입체적(체적) 디스플레이 분야에서도 사용될 수 있다. 빛은 공간상에서 진폭과 위상 정보를 모두 가지고 있다. 기존의 2차원 디스플레이는 2차원 평면에서 각 지점마다 통과하는 빛의 진폭만 저장한다. 따라서 디스플레이를 보는 사용자는 각 지점마다의 밝기와 대비 밖에 인식할 수 없다. 이러한 2차원 디스플레이가 빛의 진폭과 위상 정보 모두를 저장하면 사용자는 각 평면 지점에서의 밝기와 상대적 도달 시점, 즉 2차원 이미지의 깊이 정보를 모두 인식할 수 있게 되며 이러한 3차원 디스플레이를 홀로그램이라고 부른다. 메타물질을 이용하여 홀로그램을 구현한 메타홀로그램(Metahologram)을 이용하면 기존의 크고 복잡한 광학 소자들을 대체하면서 동시에 나노미터 단위의 픽셀과 노이즈 없는 고해상도 디스플레이를 제작할 수 있다.

    메타홀로그램의 디자인은 최종적인 홀로그램 이미지의 위상 정보를 추출하는 것에서 시작한다. 홀로그램이 나타나는 2차원 평면에서 각 좌표의 위상과 진폭을 역푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)하면 해당 홀로그램을 출력하는 메타표면의 각 좌표에서 요구되는 전자기파의 위상 제어를 계산할 수 있다. 이러한 전자기파 위상 제어를 생성할 수 있는 특정한 나노 구조물들을 길이, 폭, 높이 등을 조절해가며 각 좌표마다 배치하면 결과적으로 해당 홀로그램을 만드는 메타표면을 디자인할 수 있다.

    나노 구조물은 이미 자연계에 존재하는 물질들을 사용하고 각 물질마다 가지는 고유한 굴절률값 또한 전자기파 제어 특성에 영향을 준다. 초기 메타표면 디자인에선 파장보다 작은 크기의 금속 표면에 전자기파가 집중될 때 발생하는 플라즈모닉 효과를 이용해 금속으로 나노 구조물을 만들었다. 플라즈모닉 효과를 이용해 전자기파를 제어한다고 하여 플라즈모닉 메타표면 (Plasmonic metasurface)라고 불리는 금속 기반 메타표면은 공정이 간단하고 적외선 영역에서 좋은 효율을 보여준다1. 하지만 우리가 실제로 관심있는 가시광선 영역에선 짧은 전자기파로 인해 금속 특유의 성질인 옴 손실이 발생하여 효율이 급속하게 떨어지는 단점이 있다. 굴절율이 높고 흡수율이 낮은 유전체를 나노 구조물로 사용하면 이러한 한계점을 극복할 수 있으며 미국 하버드 대학의 Federicco Capasso 교수 연구팀은 이산화 타이타늄(TiO2)을 이용해 가시광선 영역에서 60%의 효율을 메타렌즈를 구현했다2.

    또한 포스텍 노준석 교수 연구팀은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)을 이용해 비교적 간단한 공정에서도 높은 효율의 홀로그램을 생성할 수 있는 메타홀로그램을 개발했다3.
     



    증강현실 기기의 최종적인 지향점은 콘택트 렌즈 형태이다. 콘택트 렌즈는 눈과 근접하게 위치해 굉장히 넓은 시야각을 가질 수 있고, 높은 편의성을 가진다. 하지만 콘택트 렌즈 형태의 증강현실 기기는 근본적인 광학 문제로 인해 어려움을 겪고 있다. 사람이 눈이 물체를 보고 망막에 상을 맺히게 할 수 있는 필요한 최소 거리를 근접점이라고 부른다. 각막 위에 안착하게 되는 콘택트 렌즈는 이러한 근접점보다 가깝게 위치해 있게 되고, 따라서 사람은 콘택트 렌즈 형태의 디스플레이에서 보여지는 이미지를 볼 수 없다. 서울대학교 이병호 교수 연구팀은 유리 기판에 넓은 시야각을 가지는 투과형 메타홀로그램을 개발하여 사용자가 보는 현실 세계에 가상의 이미지를 띄울 수 있는 증강현실 디스플레이 구현에 성공했다4.

    연구팀이 개발한 메타홀로그램은 출력되는 이미지의 초점 거리를 근접점 바깥으로 조정하여 기기 자체는 눈에 가깝게 있지만 출력되는 이미지는 사용자가 볼 수 있도록 했다. 해당 메타표면은 나노 구조물의 패턴이 새겨진 마스크를 기판에 접촉시켜 물리적으로 눌러 증착하는 나노임프린트 공정으로 제작되어 대면적 공정이 가능하다는 점에서 증강현실 광학 소자로써 상용화가 가능하다는 것을 보여주었다. 미국 조지아 공과대학의 Wenshan Cai 교수 연구팀은 사용자가 2D 패턴의 이미지와 현실세계를 동시에 볼 수 있는 콘택트 렌즈 형태의 메타홀로그램 디스플레이를 구현했다5.

    메타표면으로는 실리콘 나노 막대가 사용되었으며 0.5mm x 0.5mm 면적을 10 x 10의 픽셀로 나누고 나노 막대의 기하학적 특성을 조정해 각 픽셀에서 가지는 위상을 조정했다. 픽셀화된 가상 정보는 사용자의 수정체가 인식할 수 있도록 근접점 바깥에서 초점이 맺히도록 조정되었고, 메타홀로그램의 면적은 각막의 1% 이내이기 때문에 현실세계와 가상 정보를 동시에 볼 수 있도록 하여 증강현실 디스플레이에 성공했다.

    메타물질은 사용자가 원하는 디자인에 따라 전자기파를 효과적으로 제어할 수 있는 나노소재로, 다양한 광전자 소자로써 사용될 수 있다. 본 고에선 2차원의 평면파의 위상과 진폭을 조절해 임의의 공간상에 이미지를 출력시킬 수 있는 메타렌즈와 메타홀로그램이 가상증강현실 기기의 상용화와 기술적 개선에 크게 기여할 수 있음을 확인했다. 메타물질이 가지는 나노 픽셀 크기의 높은 해상도, 마이크로 단위의 두께 및 무게, 넓은 시야각 등은 전통적인 굴절 및 회절 기반의 광학 소자로는 충족시킬 수 없다는 점에서 위의 특성들이 모두 요구되는 가상증강현실 기기의 Key Component가 될 수 있다. 앞으로도 메타물질의 대면적 생산을 위한 공정 개발 및 설계 최적화와 실시간으로 다른 이미지를 출력할 수 있는 능동 메타물질에 대한 연구가 계속해서 이뤄진다면 메타물질을 활용한 차세대 가상증강현실 플랫폼을 기대할 수 있을 것이다.

     


    참고논문

    1. Yu, N. et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction. Science (80-. ). 334, 333–337 (2011).

    2. Khorasaninejad, M. et al. Polarization-Insensitive Metalenses at Visible Wavelengths. Nano Lett. 16, 7229–7234 (2016).

    3. Li, Z. et al. Dielectric Meta-Holograms Enabled with Dual Magnetic Resonances in Visible Light. ACS Nano 11, 9382–9389 (2017).

    4. Lee, G.-Y. et al. Metasurface eyepiece for augmented reality. Nat. Commun. 9, 1–10 (2018).

    5. Lan, S. et al. Metasurfaces for near-eye augmented reality. ACS Photonics 6, 864–870 (2019).

     

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