[POSTECH 노준석교수팀-삼성전자-RIST, 증강현실 디스플레이를 더욱 크고 선명하게 무색수차 메타렌즈 개발]

 

 

기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원의 노준석 교수 연구팀(통합과정 최민석, 김주훈 연구원)이 대량 생산이 가능한 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR) 근안 디스플레이용 아크로마틱(무색수차) 메타렌즈를 개발했다.

VR/AR 시스템의 부피와 무게는 광학 시스템의 크기에 의해 결정된다. 따라서 장치의 소형화 및 경량화를 위해 렌즈를 포함한 광학 부품의 혁신이 필수적이다. 이를 해결하기 위해 나노미터 크기의 구조체를 활용해 빛을 조절하는 메타표면(metasurface)이 주목받고 있으며, 특히 기존 볼록렌즈를 평면 형태로 구현한 메타렌즈(metalens)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

메타렌즈 설계의 주요 과제는 색수차와 같은 광학적 왜곡을 해결하면서도 실제 디스플레이에 적용할 수 있도록 센티미터급의 큰 면적을 구현하는 것이다. 하지만 기존의 무색수차 메타렌즈는 설계 및 공정이 복잡하고 비용이 높아 대량 생산이 어렵다는 한계를 갖고 있었다.

이에 연구팀은 Nature Materials에 발표한 연구에서 롤-투-플레이트(roll-to-plate) 공정을 활용하여 저비용·대량 생산이 가능한 무색수차 메타렌즈 제작 방법을 제안했다. 연구진이 개발한 방식은 그림 1a에서 볼 수 있듯이, 단일 마스터 몰드에서 다수의 메타표면 복제본을 생성하는 구조로, 이는 복잡한 메타표면을 대량 생산하는 데 있어 중요한 기술적 돌파구가 될 것으로 기대된다.

연구진은 역방향 위상 최적화(topology inverse design) 설계를 적용해 저굴절률의 임프린트 레진(imprint resin) 기반 메타렌즈를 설계했다. 이를 바탕으로 CD 제작 방식과 유사한 연성 플라스틱 복제 공정을 활용하여 색수차를 효과적으로 보정하면서도 높은 개구수치(Numerical Aperture, NA)를 가지는 직경 1cm의 렌즈를 제작했다. 이를 통해 메타렌즈의 광학적 성능을 기존의 범용 광학 부품 수준으로 끌어올렸으며, VR 헤드셋의 광학 기능을 확장할 수 있는 가능성을 제시했다. 또한, 연구팀은 메타렌즈와 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)을 결합하여 성능을 더욱 향상시키는 방안을 탐색했다.

기존 메타렌즈는 일반적으로 정규 격자(grid) 패턴을 반복 배치하여 원하는 광학적 특성을 구현하며, 색수차 보정을 위해 그룹 지연(group delay) 및 그룹 지연 분산(group delay dispersion)을 조절한다. 하지만 렌즈의 크기와 개구수치가 커질수록 기존 접근 방식의 한계가 드러난다. 이번 연구에서는 유한 차분 시간 영역법(FDTD, finite-difference-time-domain method)을 기반으로 한 역방향 위상 최적화 설계를 적용하여 무색수차 메타렌즈를 구현하고, 실험을 통해 그 성능을 검증했다.

 

 

제작된 메타렌즈는 적색(635nm), 녹색(532nm), 청색(450nm) 파장에서 동일한 초점 위치를 형성하며, 초점 저하 없이 모든 색에서 최소 3μm의 해상도를 유지하는 것으로 나타났다. 이를 통해 색수차를 효과적으로 보정하면서도 VR 디스플레이의 시야각을 확장할 수 있음을 확인했다. 또한, 레진 기반 소재를 사용함으로써 복제 공정과의 높은 호환성을 확보하여 센티미터급 광학 요소를 대량 생산할 수 있는 가능성을 열었다.

다만, 연구진이 개발한 메타렌즈는 높은 개구수치(최대 0.7)로 인해 극한 시야각에서 원치 않는 수차(aberration)가 발생할 수 있다. 그러나 VR 시스템의 디스플레이 엔진을 홀로그램 방식으로 채택할 경우, 이러한 수차도 보정할 수 있다. 이 과정은 공간 광 변조기(SLM, spatial light modulator)를 활용하여 구현되며, 이는 픽셀 단위로 광위상을 조절하여 컴퓨터 생성 홀로그램 알고리즘에 의해 파면을 조작하는 방식이다. 만약 메타렌즈의 수차가 사전에 파악되어 있다면, 해당 수차를 상쇄할 수 있도록 홀로그램을 설계할 수 있으며(그림 1b 참조), 푸리에 평면 마스킹 시스템을 이용하여 특정 영역의 국소적 수차를 식별할 수도 있다.

연구진은 이러한 접근 방식을 결합하여 색수차 영향을 받지 않으면서도 시야각이 확장된 광학 디스플레이 시스템을 구현하는 데 성공했다. 향후 과제는 수차 보정을 유지하면서도 확장된 초점 깊이를 구현하는 것이다.

현재 AR 디스플레이 시스템의 주요 한계 중 하나는 스테레오스코픽(stereoscopic) 방식의 3D 이미지 생성 방식이다. 이 방식은 좌우 눈에 개별 이미지를 제공하여 입체감을 형성하지만, 뇌가 인식하는 깊이 단서를 완전히 충족시키지 못해 시각적 피로와 부작용을 유발할 수 있다. 반면, 홀로그램 기반 증강 현실 디스플레이는 연속적인 초점 깊이 조정을 제공할 수 있어 이러한 문제를 극복할 수 있다.

따라서, 본 연구는 궁극적으로 실질적인 3D 근안 디스플레이 기술로 발전하기 위한 중요한 단계가 될 것으로 기대된다.

 

[Article]

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02121-0

[News and Views]

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02140-x