과학기술정보통신부는 포항공과대학교(POSTECH) 노준석 교수 연구팀이 삼성전자 삼성리서치와 공동으로 빛 손실을 줄인 메타표면 도파관을 개발하고, 이를 적용한 증강현실(AR) 안경 시제품을 구현했다고 2026년 11월 12일 밝혔다. 광학계 전체 두께는 1.5㎜다.
시제품은 눈 위치가 일정 범위 안에서 달라져도 영상을 볼 수 있었으며, 밝은 야외에서는 흰색 문자를, 실내에서는 컬러 영상을 실제 풍경 위에 겹쳐 보여줬다.
일상용 AR 안경은 일반 안경처럼 얇고 가벼우면서도 밝은 곳에서 영상이 잘 보여야 하고, 눈을 움직이거나 안경이 조금 흘러내려도 영상이 유지돼야 한다. 기존 회절형 도파관은 디스플레이에서 나온 빛의 방향을 미세구조로 바꿔 눈에 보내는 과정에서 일부 빛이 원하지 않는 방향으로 빠져나가 화면이 어두워졌다.
특히 영상을 볼 수 있는 범위를 넓힐수록 빛 손실이 커졌고, 빨강·초록·파랑 빛도 진행 방향과 전달 효율이 달라 특정 색이 밝거나 어둡게 나타나는 문제가 있었다.
연구팀은 빛의 파장보다 작은 나노구조를 배열해 빛의 진행 방향 등을 조절하는 메타표면을, 빛을 특정 경로로 전달하는 도파관에 적용했다. 나노구조의 위치·모양·간격을 달리 설계하고 빛의 입사각과 위치에 따라 진행 방향을 조절해 도파관 전체에서 빛이 이동하는 경로를 제어했다.
그 결과 기존에 빠져나가 손실되던 빛을 여러 경로로 눈에 전달해 영상 형성에 더 많이 활용할 수 있음을 이론과 실험으로 확인했다. 컬러 영상을 위해 파랑·초록 빛을 주로 전달하는 층과 빨강·초록 빛을 주로 전달하는 층을 겹쳐 색에 따른 전달 효율 차이를 줄였다.
소형 디스플레이와 결합한 시제품의 대각 시야각은 30°였다.
눈과 도파관 사이 거리가 15㎜일 때, 눈 위치가 달라도 영상을 볼 수 있는 범위인 아이박스는 가로·세로 각각 8㎜였다. 아이박스 안 여러 눈 위치에서 영상 중심부의 휘도 효율을 측정한 결과, 백색광은 평균 1,938 nits/lm, 최대 4,225 nits/lm였고 적색·녹색·청색의 평균 휘도 효율은 각각 1,897, 1,977, 2,170 nits/lm로 나타났다.
실내에서는 디스플레이 출력을 30%로 낮춘 상태에서도 컬러 영상을 구현했다.
연구 성과는 2026년 11월 12일 국제학술지 네이처(Nature)에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 연구사업, 삼성미래기술육성사업 등의 지원으로 수행됐다.
기술은 길 안내나 작업 정보를 눈앞에 보여주는 일상용 AR 안경과 AI 기반 스마트 안경의 광학계에 활용될 것으로 기대된다. 빛 손실을 줄이는 설계는 필요한 화면 밝기를 확보하면서 디스플레이 전력 소모를 낮추는 데도 도움이 될 수 있다.
실용화를 위해서는 산업계가 요구하는 밝기 기준에 맞추도록 평균 휘도를 조금 더 높일 필요가 있다.
두 장의 도파관 대신 한 장으로 같은 성능을 내는 연구도 필요하다. 외부 빛이 미세구조와 만나 무지개처럼 번져 보이는 현상과 눈 위치·영상 영역에 따른 색·밝기 차이를 개선하고, 밝은 야외에서 작은 글자를 더 쉽게 읽도록 영상 품질을 높이는 것도 후속 과제다.
연구진은 대면적 나노임프린트 공정으로 제작 기술을 확장하면 제조비용을 낮추고 생산성을 높이는 데 도움이 될 수 있다고 설명했다. 대량생산 기술을 확보하고 주변 밝기와 사용 환경에 맞춰 영상의 색과 대비를 조절하는 AI 기반 영상 처리와 연계하는 방안도 향후 발전 방향으로 제시했다.
