차세대 렌즈로 증강 현실 강화

전 세계에서 가장 큰 온라인 디자인 스쿨 중 하나인 Interaction Design Foundation은 정의합니다 증강 현실을 ‘디자이너가 컴퓨터 생성 입력으로 사용자의 물리적 세계의 일부를 향상시키는 경험’이라고 정의합니다. IBM은 항상 혁신적인 기술 형태를 소개해 온 선구적인 기업 중 하나이며, AR을 다음과 같이 보고 연구합니다 ‘디지털 정보가 사용자의 환경에 실시간으로 통합되는’ 것으로.

이러한 정의는 증강 현실이 기술이 우리에게 제공할 수 있는 것에 대한 매우 창의적인 인식과 그 인식을 현실로 만들기 위해 정교하게 구축된 솔루션을 포함하는 급진적인 도약에 불과하지 않다는 것을 증명합니다.

현장에서 증강 현실을 효과적이고 효율적인 제안으로 만들기 위해서는 많은 요소들이 잘 작동해야 합니다. 디지털 세계와 물리적 세계의 결합은 결함 없이 원활해야 합니다. 상호 작용은 실시간으로 이루어져야 하며, 3차원 인터페이스에서 가상 및 실제 객체의 식별은 정확해야 합니다.

수년 동안 연구자들과 혁신적인 기술 프로젝트 팀은 이러한 요소들을 완벽하게 만들기 위해 끊임없이 노력해 왔습니다. 새로운 연구는 이 분야에 큰 기대감을 불러일으켰습니다. 과학자들은 엑시톤을 활용한 지구상에서 가장 얇은 렌즈를 만들었으며, 이는 미래의 AR 안경에 사용될 수 있습니다. 다음 섹션에서는 이 연구를 더 깊이 살펴보겠습니다.

엑시톤 기반 렌즈: 지구상에서 가장 얇은 렌즈

연구진 그룹은 암스테르담 대학교와 캘리포니아 스탠포드 대학교 소속으로 텅스텐 디설피드(WS2) 단일 층을 활용해 가로 0.5밀리미터이지만 두께는 0.0000006밀리미터, 즉 0.6나노미터에 불과한 평면 렌즈를 개발했습니다. 이러한 파라미터 덕분에 이 렌즈는 지구상에서 가장 얇은 렌즈가 되었습니다.

렌즈 제작에 매우 특이한 소재를 사용했을 뿐만 아니라, 이 렌즈는 작동 방식에서도 예외적입니다. 일반 렌즈가 빛을 굴절하고 초점을 맞추기 위해 곡면 형태에 의존하는 반면, 이 3원자 두께의 평면 렌즈는 양자 효과를 활용합니다.

일반 렌즈와 달리, 이 렌즈는 굴절이 아니라 회절 현상을 활용합니다. 이들은 WS2의 동심원 형태로 구성되며, 그 사이에 틈을 두어 회절을 통해 빛을 집중시킵니다. 이 링들 사이의 거리와 크기가 렌즈의 초점 거리를 결정합니다.

초점을 효율적으로 맞추기 위해, 이 렌즈는 WS2 내부의 양자 효과에 의존합니다. West Texas A&M University 물리학 부교수 Christopher S. Baird 양자 효과를 다음과 같이 정의합니다 이는 고전 물리학으로는 ‘정확히 예측되지 않지만, 양자 이론으로는 정확히 예측되는 양자 이론에 의해 예측됩니다.’ 고전 물리학은 ‘물질’을 작은 고체 입자로 구성된 것으로 봅니다.

“따라서 물질의 조각을 파동처럼 행동하게 만들 때마다 우리는 양자 효과를 보여주는 것입니다.”

– Baird 교수

예를 들어 초전도성은 거시적인 양자 효과입니다. 이 경우, 양자 효과는 물질이 특정 파장에서 빛을 효율적으로 흡수하고 재방출하도록 돕습니다. 그 결과, 렌즈는 이러한 파장에서 더 잘 작동하도록 돕는 내장된 능력을 갖게 됩니다.

양자 효과의 역할을 더 잘 이해하려고 하면, WS2가 전자를 높은 에너지 준위로 이동시켜 빛을 흡수하는 강화 작용으로 작동합니다. 음전하를 가진 전자가 사라지면 원자 격자에 양전하를 가진 홀이 남게 됩니다. 이 홀은 전자와 사이에 작용하는 인력 전기적 힘에 의해 전자와 결합된 상태를 유지합니다. 전자, 격자 내의 홀, 그리고 그 사이에 작용하는 힘의 이러한 결합을 ‘엑시톤’이라고 합니다. 엑시톤이 방출하는 특정 파장의 빛에서, 이 렌즈는 효율성에서 뚜렷한 피크를 달성합니다.

논문의 저자 중 한 명인 Jorik van de Groep은 이러한 렌즈가 AR의 추가 발전에 어떻게 도움이 될 수 있는지 잘 설명했습니다. Jorik이 설명하길:

“렌즈를 통해 보는 시야가 방해받지 않아야 하지만, 빛의 일부분을 활용해 정보를 수집할 수 있는 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 이는 증강 현실과 같은 착용형 안경에 완벽합니다.”

연구원들은 보다 복잡하고 다기능적인 광학 코팅을 시험해 솔루션을 업그레이드하고 효율성을 높이려고 합니다.이러한 솔루션에서는 기능을 전기적으로 조정할 수 있습니다. 엑시톤을 활용하는 장점 중 하나는 물질의 전하 밀도(특정 영역에서 전하가 축적되는 정도)에 매우 민감하기 때문에 전압을 가하면 물질의 굴절률 변화를 유도할 수 있다는 점입니다.

전반적으로, 이 실험과 그 결과는 AR 및 AR 기기에서 렌즈 사용에 혁신적인 영향을 미칠 수 있습니다. 처음부터 과학자들은 현실을 넘어선 공간과 상호 작용하기 위한 핵심 인터랙티브 도구인 AR 렌즈의 품질을 실험해 왔습니다. 몇 년 전, 유사한 획기적인 실험이 최초의 AR 기반 스마트 콘택트 렌즈에 대한 현장 테스트로 이어졌습니다.

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역대 최초 AR 기반 스마트 콘택트 렌즈

2022년, 마이크로 LED 기술의 미래를 선도하는 선구자라고 주장하는 Mojo Vision은 Mojo Lens 출시를 발표했습니다, 세계 최초의 증강 현실 콘택트 렌즈. 이는 2020년에 처음 출시된 회사의 완전 자급형 Mojo Lens 프로토타입을 업그레이드한 것이었습니다. 이 디스플레이는 동적 콘텐츠를 지원하는 세계에서 가장 작고 밀도가 높은 디스플레이로 평가되었습니다. 또한 연속적인 눈 움직임 추적을 위해 맞춤형 가속도계, 자이로스코프, 그리고 자기계가 탑재되었습니다. 하지만 이 렌즈는 사용자가 목에 ARM 프로세서를 착용해야 했으며, 이를 통해 렌즈와 눈 움직임을 추적하는 컴퓨터 간에 무선으로 정보를 중계할 수 있었습니다.

이 프로토타입은 직경 > 0.5mm, 픽셀 피치 1.8마이크론인 14,000 픽셀/인치 마이크로LED 디스플레이를 탑재했습니다. 당시 이는 동적 콘텐츠를 지원하는 세계에서 가장 작고 밀도가 높은 디스플레이로 평가되었습니다. 또한 연속적인 눈 움직임 추적을 위해 맞춤형 가속도계, 자이로스코프, 그리고 자기계가 장착되었습니다. 하지만 이 렌즈는 사용자가 목에 ARM 프로세서를 착용해야 했으며, 이를 통해 렌즈와 눈 움직임을 추적하는 컴퓨터 간에 무선으로 정보를 중계할 수 있었습니다.

2022년부터 2024년 사이에 Mojo Lens는 기술과 제품을 지속적으로 혁신하여 28,000 픽셀/인치에 달하는 동적 디스플레이를 제공했습니다. 핵심 기술은 이제 서브 µm 규모의 효율적인 청색 마이크로LED 장치와 고효율 양자점 잉크를 포함합니다, 반면에 디스플레이 시스템은 최적화된 CMOS 백플레인, 웨이퍼-투-웨이퍼 본딩, 맞춤형 마이크로렌즈 광학을 기반으로 합니다. 

Mojo 마이크로렌즈를 사용하면, 픽셀 피치와 동일한 직경을 가진 uLED 발광체 위에 배치함으로써 기존 디스플레이에 비해 일반적인 AR 웨이브가이드의 입구 동공에 최대 5배 더 많은 광 플럭스를 전달할 수 있습니다.

Mojo Lens 솔루션이 선두주자이지만, 대형 기술 기업들은 고급 최첨단 AR 시청 솔루션 구축에 상당한 연구와 자원을 투자하고 있습니다.

#1. 3M

AR/VR 기기를 위한 첨단 광학 솔루션 개발에 뛰어난 성과를 거둔 글로벌 기업 중 하나가 3M입니다. 3M의 광학 솔루션은 가상과 물리적 세계를 원활히 결합한 최적의 품질을 제공하는 몰입형 시각을 지원하는 헤드셋을 지원합니다.

3M이 최첨단 렌즈를 개발하는 주요 기술 중 하나는 접이식 광학(또는 팬케이크 광학) 패러다임입니다. 이 패러다임에서는 광학 경로를 접어 넓은 시야각(FOV)과 선명한 이미지를 제공하면서 전체 장치를 더 얇게 만들 수 있습니다.

2022년 디스플레이 부품 부문 올해의 수상자인 3M HARP 렌즈는 이중굴절 반사 편광자를 통합하여 접이식 광학을 활용한 렌즈 구성으로 컴팩트하고 중간 시야각의 아이피스와 넓은 시야각 광학을 헤드 마운트 디스플레이에 제공했습니다.

3M은 Pegatron 프로토타입 헤드셋에 HARP 렌즈를 적용하여 프레넬 렌즈 모듈을 사용한 헤드셋에 비해 렌즈 모듈을 50% 얇게 만들었으며, 전체 헤드셋을 40% 얇게 만들었습니다.

렌즈는 디스플레이와 사용자의 눈 사이 거리를 줄여 전체 플라스틱 사용량과 무게를 감소시켰습니다.

MTF(변조 전달 함수)는 렌즈 시스템이 이미징 시 물체의 대비를 유지하는 능력을 측정하기 위해 사용됩니다. 3M HARP 렌즈는 9마이크론 크기의 픽셀에 대해 허용 가능한 MTF를 보여주었습니다. 3M은 다양한 응용 분야와 산업을 위한 AR 솔루션을 개발하고 있다고 주장합니다.