AR/VR과 같은 근접안 디스플레이(Near-eye Display)의 효율을 높이기 위해서는 사용자의 동공에 수용되는 빛을 극대화하는 것이 중요함. 그러나 현재 AR/VR 디스플레이의 광원으로 사용되는 LED/OLED Chip은 넓은 각도로 빛이 발산되기 때문에 전체 빛에너지의 80%가 사용자에게 인식되지 못하고 낭비되고 있음. [그림 1] 이는 전력소모를 증가시키는 원인으로 작용하게 되며, 궁극적으로는 웨어러블 기기의 가장 중요한 성능지표인 사용시간과 휴대성을 저하시키는 문제를 초래하게 됨. 

그림 1. AR/VR 디스플레이용 고지향성 광원의 중요성

화소마다 렌즈와 같은 광학계를 설치하면 광원의 지향성을 개선할 수 있지만, 수천만개에 달하는 화소 개수와 렌즈형 광학계의 두께 등을 고려하면 현실적인 대안으로 적용하기가 어렵다는 문제가 있음.
본 과제에서는 고굴절률 매질에 미세한 공극구조를 삽입했을 때 발현되는 메타물질 특성을 이용하여 초박형 평면 메타렌즈를 개발하고자 함. 얇고 평탄한 표면을 가지는 렌즈를 구현하기 위해서는 [그림 1(中)]에서 볼 수 있는 것처럼 위치별로 굴절률을 다른 물질을 배치하여야 함. 그러나 이 방식은 위치별로 다른 소재를 사용해야 하기 때문에 제조의 현실성이 현저히 낮음. 제안기술은 소재의 변화없이 굴절률을 다양하게 변화시킬 수 있는 독창적인 메타물질 제조 공정을 적용하고 있어서, 단일한 물질만으로도 위치별로 다른 굴절률을 구현하는 것이 가능함.

그림 2. (左) 기존의 광학렌즈, (中)위치별로 굴절률이 다른 소재를 조합하여 제작된 평면 렌즈, (右)단일한 소재로 제작된 평면 메타렌즈

본 과제에서 제안하는 메타렌즈는 빛의 파장(가시광선의 경우 400~700nm) 정도의 얇은 두께에서도 기존 광학계의 기능을 모두 구현할 수 있다는 장점이 있음. [그림 3]은 1μm 두께의 메타렌즈를 마이크로 LED Chip에 적용했을 때의 방사각 변화를 계산한 시뮬이션 결과로서, 메타렌즈를 적용했을 경우 동공에 수렴되는 유효광량이 10배 가량 증가함을 확인할 수 있음. 이는 광원의 효율을 10배 개선하는 것과 동일한 효과로서, 광원의 효율이 개선된 만큼 소비전력을 절감할 수 있음.

그림 3. 메타렌즈 적용유무에 따른 지향각 변화 (시뮬레이션 결과)

빛의 지향성을 인위적으로 제어하는 제안기술은 디스플레이의 핵심부품인 광학계 설계의 원천기술로서, 현재 AR/VR 시장이 당면한 지향각 개선에 대한 가장 강력한 대안이 될 뿐 아니라, 자동차용 헤드라이트나 산업용 조명처럼 고지향성 광원을 필요로 하는 다양한 제품들에도 응용이 가능하기 때문에 범용성과 상품성이 매우 높을 것으로 예상됨.