3차원 가상세계를 일컫는 메타버스 시대가 도래하고 있는 지금, SF 영화에서많이 볼 수 있었던 가상현실 (Virtural Reality, VR)과 증강현실 (Augmented Reality, AR) 기술이 실생활의 편의성과 산업 생산성을 높일 기대가 점차 높아지고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 기계공학과 정임두 교수 연구팀과 한국전기연구원 (KERI) 스마트 3D 프린팅 센터 설승권 박사 연구팀이 공동으로 AR 기반 내비게이션을 구현한 스마트 콘택트렌즈를 개발했다. 전기적 자극을 받으면 색이 변하는 전기변색물질을 초미세 마이크로 3D 프린팅 기술을 이용해 프린팅해 AR 기반 내비게이션을 구현할 수 있게 됐다.
기존의 AR 기기들의 경우 크고 무거울 뿐 아니라 비싼 가격으로 시장진입이 힘들다는 한계가 존재한다. 반면 스마트 콘택트렌즈는 사람 눈에 일반적인 렌즈처럼 장착돼 착용이 자연스럽다는 장점이 있다. 최근 구글 등에서 AR 구현 디스플레이 용도로 스마트 콘택트렌즈 개발에 나서고 있지만, 기술 난도가 높아 상용화까지 많은 난관에 놓여 있다.
연구그림1. 메니스커스 기반 프린팅 개요도 및 프러시안 블루 잉크 특성
스마트 콘택트렌즈로 AR을 구현하기 위해서는 낮은 전력으로도 구동이 가능한 전기변색 디스플레이가 적합하다. 그 소재로서 가격 경쟁력이 높고 색상 간 대비와 전환이 빠른 ‘프러시안 블루’에 주목한다. 하지만 기존에는 전기 도금 방식으로 소재를 기판에 필름 형태로 코팅해 사용하다 보니, 다양한 정보(글자, 숫자, 이미지)를 표현할 수 있는 디스플레이를 제작하는 데 한계가 있었다.
UNIST-KERI 공동연구진은 전기 도금 방식을 사용하지 않는 방법을 연구했고, 그 결과 초미세 3D 프린팅 기술을 이용해 렌즈 디스플레이에 마이크로 패턴을 인쇄해 AR을 구현할 수 있는 기술을 개발했다.
메니스커스는 물방울 등이 모세관 속에서 표면장력으로 인해 외벽에 오목한 곡면이 형성되는 현상이다. 노즐과 기판 사이에 형성된 메니스커스는 안에서 용매가 증발하며 결정화된다. 기존 전기 도금 방식을 사용하면 전압을 인가하기 위해서 기판이 반드시 전도체여야 한다. 하지만 메니스커스 현상을 활용하면 용매의 자연 증발로 결정화가 진행돼 기판의 제약이 없다는 것이 큰 장점이다. 연구팀의 마이크로 패턴 기술은 평면뿐만 아니라 곡면에도 패턴 형성이 가능하다. 또한 AR 용 스마트 콘택트렌즈 디스플레이에 적용될 수 있는 수준(7.2 마이크로미터)으로 아주 미세하며 색상도 연속적이고 균일하다.
연구그림2. 노즐 직경(Inner diameter, ID)과 프린팅된 라인의 너비 관계 분석
주요 기대 활용 분야는 내비게이션이다. 연구진은 전기변색 디스플레이를 콘택트렌즈에 접목해 실시간으로 사용자가 길을 찾아갈 수 있도록 사람의 눈앞에 내비게이션이 펼쳐지도록 AR을 구현했다. 간단하게 렌즈를 착용하는 것만으로도 AR을 통해 사람의 눈앞에서 내비게이션이 펼쳐진다.
연구그림3. 콘택트렌즈에 내비게이션 기능이 적용된 전기변색 디스플레이 작동 원리
정임두 기계공학과 교수는 “이번 성과가 AR 분야는 물론, 프러시안 블루의 마이크로 패터닝이 필요한 배터리 및 바이오센서 관련 기업들의 많은 관심을 받을 것이다”며 “앞으로 관련 수요 업체를 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다”고 전했다.
우수성을 인정받은 이번 연구 결과는 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 1월호에 표지논문으로 게재됐다.
