경북대 전자공학부 김학린 교수팀이 세계 최고 수준의 ‘초슬림형 XR(확장현실) 가변 초점 렌즈 광학 모듈’을 구현했다. 이번 연구는 XR 기기의 난제였던 눈의 피로(수렴-초점 불일치, VAC) 문제를 완화하고, 기기 소형화 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)’ 현상으로 장시간 사용 시 눈의 피로나 어지러움이 쉽게 나타난다.

기존 XR 기기는 반파장판(HWP, half-wave plate)이라는 광학 소자가 사용된다. 반파장판은 초점을 2의 지수(2ⁿ) 단위로만 조절할 수 있어 다양한 초점 깊이를 구현하기 어렵고, 다양한 초점을 만들려면 여러 광학층을 겹쳐야 하기 때문에 기기의 두께와 무게도 늘어난다.

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 지원하기 때문에 초점 전환 단계를 기존 2의 지수 관계(2ⁿ)에서 3의 지수 관계(3ⁿ)로 확장할 수 있고, 필요한 광학층 수도 크게 줄일 수 있다. 연구팀은 이 기술을 적용해 9단계(3²) 초점 전환을 실제로 구현했고, 초슬림 구조에서도 영상 품질을 유지하면서 초점을 자유롭게 바꿀 수 있음을 확인했다.

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

이번 연구는 김학린 교수가 교신저자로, 신중엽 석사(현 소속 삼성디스플레이)와 이재원 박사(현 소속 ETRI)가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단 미래디스플레이전략연구실 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 광학 분야 국제 학술지 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications)’ 9월호에 게재됐다.