'눈의 피로 줄이고 더 얇게'…경북대, 차세대 XR 광학 기술 구현

세계 최초 '삼중 파면 변조' 기술로 초슬림 XR 렌즈 완성
9단계 초점 전환 실현…시각 피로 완화·기기 소형화 가능성 제시
국제학술지 '빛: 과학과 응용' 9월호 게재

경북대 김학린 교수

경북대 이재원 박사

경북대 신중엽 석사

경북대학교는 전자공학부 김학린 교수 연구팀이 세계 최고 수준의 초슬림형 XR(확장현실) 가변 초점 렌즈 광학 모듈을 구현했다고 14일 밝혔다.

이번 연구는 XR 기기의 대표적인 난제인 눈의 피로(수렴-초점 불일치, VAC) 문제를 완화하고, 기기 소형화의 가능성까지 함께 제시했다. XR은 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합현실(MR)을 포괄하는 개념으로, 교육·의료·산업·문화 등 다양한 분야에서 활용된다.

XR 기기는 화면과 실제 초점이 어긋나는 '수렴-초점 불일치(VAC)' 현상 때문에 장시간 사용 시 눈의 피로나 어지러움이 쉽게 발생한다. 기존 XR 기기에는 반파장판(HWP, half-wave plate)이 사용되는데, 초점을 2의 지수(2ⁿ) 단위로만 조절할 수 있어 다양한 초점 깊이를 구현하기 어렵고, 여러 광학층을 겹쳐야 하기 때문에 두께와 무게가 증가한다.

김학린 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 사분파장판(QWP, quarter-wave plate) 기반 기하위상 렌즈(GPL)에 세계 최초로 '삼중 파면 변조(Triple Wavefront Modulation)' 기술을 적용했다.

이 기술은 초점을 앞·뒤로 조절하거나 그대로 유지하는 세 가지 모드를 지원해 초점 전환 단계를 기존 2의 지수(2ⁿ) 관계에서 3의 지수(3ⁿ) 관계로 확장할 수 있다. 이에 따라 필요한 광학층 수를 크게 줄일 수 있고, 초슬림 구조에서도 영상 품질을 유지하면서 자유로운 초점 조절이 가능함을 입증했다.

연구팀은 이 기술을 적용해 실제로 9단계(3²) 초점 전환을 구현했다. 이를 통해 기존 광학 한계를 뛰어넘어 고화질 이미지를 유지하면서 초점을 다양한 거리로 전환할 수 있는 차세대 XR 광학 모듈의 가능성을 제시했다.

김학린 교수는 "현재 메타(Meta), 애플(Apple) 등 글로벌 빅테크 기업들은 AR 글라스 및 XR 디바이스 개발에 속도를 내고 있다"며 "이번 연구는 XR 기기의 소형화·경량화와 시각 피로 저감 기술을 동시에 실현할 수 있는 원천 기술"이라고 밝혔다. 이어 "향후 홀로그래픽 디스플레이나 시선 추적형 3D 콘텐츠 등 다양한 XR 플랫폼으로 응용할 수 있다"고 덧붙였다.

이번 연구에는 김학린 교수가 교신저자로, 신중엽 석사(현 삼성디스플레이)와 이재원 박사(현 ETRI)가 공동 제1저자로 참여했다. 한국연구재단 미래디스플레이전략연구실의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제 광학 학술지 '빛: 과학과 응용(Light: Science ＆ Applications)' 9월호에 게재됐다.