색상 분산을 이용한 초소형 3D 근거리 디스플레이

초록

본 논문은 금속렌즈의 측면 색분산을 설계하여, 적·녹색 물체의 가로 위치 차이를 시야각 차이로 변환하고, 이를 통해 색이 겹쳐진 3D 가상 영상을 구현한다. 단일 메타렌즈와 간단한 광학 부품만으로 11도 시야, 22픽셀/도 해상도, 0.9 m 깊이 범위와 19개의 영상 평면을 달성하였다.

상세 분석

본 연구는 기존 디스플레이에서 피하고자 했던 색분산을 의도적으로 활용한다는 전환점을 제시한다. 저자들은 금속렌즈에 ‘측면 분산(lateral dispersion)’을 부여함으로써 파장에 따라 초점이 동일한 위치에 존재하면서도 가로 방향으로 일정 거리(d = 1 mm)만큼 이동하도록 설계하였다. 이를 위해 두 개의 메타표면을 1픽셀만큼 오프셋시킨 인터리브 구조를 채택했으며, 각각은 520 nm와 660 nm 파장에 최적화된 회전형 나노브릭을 포함한다. 회전각에 따라 두 배의 위상 변화를 제공하는 기하학적 메타표면을 이용함으로써, 전통적인 파장 의존형 파동가이드 메타렌즈보다 높은 위상 정확도와 낮은 채널 간 크로스토크를 확보하였다. 시뮬레이션 단계에서는 FDTD 방법을 통해 각 나노브릭의 변환 효율을 최적화했으며, 520 nm에서는 110 × 80 nm, 660 nm에서는 200 × 100 nm 크기의 브릭이 가장 높은 효율 대비를 보였다. 실험적으로는 전자빔 리소그래피와 건식식각을 통해 1 mm × 3 mm 직사각형 개구부를 가진 금속렌즈를 제작했으며, 측정된 초점 효율은 각각 20.6 %와 40 %로 설계값에 근접하였다.

이미징 원리는 다음과 같다. 적·녹색 물체가 서로 다른 가로 변위(Δx)를 가지고 있을 때, 금속렌즈는 이를 각도 차이(Δθ)로 변환한다(Δθ = Δx·d/f). 이 각도 차이는 눈에 들어오는 광선이 서로 다른 가상점에서 교차하도록 하여, 각 물체마다 서로 다른 깊이의 가상 이미지를 형성한다. Δx를 0부터 d까지 연속적으로 변화시키면 가상 이미지의 거리 L은 0에서 무한대로 조정 가능하므로, 이론적으로 매우 넓은 깊이 범위를 제공한다. 또한, 적·녹색 채널의 밝기를 독립적으로 제어함으로써 색상 혼합이 가능해, 동일한 가상 평면에서 노란색을 포함한 다양한 색을 구현할 수 있다.

다중 평면 구현에 있어서는 픽셀 피치(3.6 µm)와 최소 초점 거리(L_min = 12 cm)를 고려하면 Δx는 21개의 이산값을 가질 수 있어, 21개의 서로 다른 영상 평면을 이론적으로 제공한다. 실제 실험에서는 3개의 평면(15 cm, 25 cm, 50 cm)을 시연했으며, 각 평면에서 카메라(인간 눈을 대체) 초점이 맞춰질 때 해당 색상의 가상 이미지가 선명하게 나타나고, 다른 평면에서는 색상 이동에 의한 흐림 현상이 관찰되었다.

제한점으로는 현재 실리콘 기반 메타렌즈가 청색 파장에서 높은 흡수를 보여 3색 구현이 어려운 점이 있다. 저자들은 갈륨 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드, 티타늄 디옥사이드 등으로 재료를 교체하면 청색까지 포함한 전색 구현이 가능하다고 제시한다. 또한, 초점 효율이 파장마다 차이가 나며, 제조 공정에서 발생하는 미세 정렬 오차가 효율 저하를 일으킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 복잡한 광학 스택이나 고속 연산 없이 단일 메타렌즈와 간단한 빔스플리터만으로 3D 색상 가상 영상을 구현한 점은 차세대 AR/VR 디스플레이에 매우 유망한 접근법이다.