경북대학교 전자공학부 김학린 교수 연구팀이 홀로그래픽 근안 디스플레이 (holographic near-eye display)의 핵심 한계 중 하나인 좁은 eyebox 문제를 개선할 수 있는 새로운 능동형 광학 기술을 제시하여, 광학 분야 최상위권 저널인 Photonics Research (If: 7.2, Optics 분야 JCR 상위 11.6%)에 2026년 4월호로 논문을 게재(Erkhembaatar Dashdavaa 박사 단독 1저자, 김학린 교수 단독교신저자)하였다. 본 논문은 QWP(quarter-waveplate) 기반 기하위상홀로그램 (GPH: Geometric Phase Hologram) 프리즘을 능동적으로 구동하고, 실시간 시선 추적과 연동하여 사용자의 시선 위치에 맞게 출사 동공을 동적으로 조절하는 기술을 제안한 연구이다.

논문 제목: Dynamic eyebox expansion in holographic near-eye displays via active switching quarter-waveplate geometric phase prisms

저자 정보: Erkhembaatar Dashdavaa, Erdenebayar Bayarsaikhan, Munkh-Uchral Erdenebat, Jae-Yeol Cha, Jae-Won Lee, Jin-Hyeok Seo, Hyeon-Su Jeong, Min-Seok Kim, Ji-Sub Park, and Hak-Rin Kim*

홀로그래픽 근안 디스플레이는 빛의 파면 자체를 재현해 자연스러운 초점 단서를 제공할 수 있어 차세대 XR 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 그러나 현재 광학 시스템은 사용자가 홀로그램 영상이 선명하게 합성 구현되어 볼 수 있는 영역인 eyebox가 매우 좁고, 시야각(FOV) 확장과 eyebox 확장이 서로 상충하는 한계가 있어 실제 착용형 시스템으로 구현하는 데 어려움이 있다. 특히 eyebox가 좁으면 눈의 위치가 조금만 바뀌어도 영상이 잘리거나 사라질 수 있어, 사용자 편의성과 몰입감을 동시에 확보하기 어렵다.

이번 연구의 핵심은 QWP 조건의 기하위상홀로그램 프리즘(QWP-GPP)을 두 장 적층한 bi-stacked 구조와 편광 다중화 방식을 이용해, 수평과 수직 방향으로 각각 3단계씩 빔을 조향하여 총 3×3, 즉 9개의 시점 위치를 능동적으로 형성한 점이다. 기존 HWP 기반 GPP 구조가 같은 광학 층수에서 2×2 수준의 pupil 확장에 머무는 반면, 제안 구조는 하나의 광학 모듈에서 더 많은 출사 동공 위치를 제어 구현할 수 있다. 또한 모든 시점을 동시에 만드는 수동형 복제 (pupil multiplication) 방식과 달리, 필요한 시점만 시간적으로 선택해 활성화하므로 광효율을 높이고 시점 간 crosstalk를 효과적으로 줄일 수 있다. 

연구팀은 여기에 실시간 gaze tracking 기술을 결합하여 사용자의 시선 방향에 따라 적절한 pupil 위치를 즉시 맞춤형 선택하는 시스템을 구현하였다. 실험 결과, 제안된 시스템은 12 mm × 12 mm 크기의 확장된 eyebox 제공 효과를 검증하였으며, 제안된 동적 구동 방식이 정적 복제 방식보다 더 높은 광효율을 보일 수 있었다. 또한 VR 모드와 AR 모드 모두에서 9개 시점 전반에 걸쳐 안정적인 홀로그래픽 영상 재구성이 가능함도 확인하였다. 

이번 성과는 홀로그래픽 XR 디스플레이에서 사용자의 눈 위치 변화에 더욱 유연하게 대응할 수 있는 실용적 해법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 향후 소형화와 컬러화가 더욱 진전되면, 보다 가볍고 사용자 적응형인 차세대 홀로그래픽 AR/VR 디스플레이 구현에 중요한 기반 기술로 활용될 것으로 기대된다.

한편, 본 연구실은 QWP 설계 기반 GP 광학소자를 바탕으로 최근 연이어 우수한 연구 성과를 발표해 왔다. 2025년 9월에는 Light: Science & Applications (IF: 23.4, Optics 분야 상위 2.8%, Springer Nature 자매지)에 “Multi-depth switching by triple wavefront modulation of quarter-waveplate geometric phase lenses for vergence-accommodation-matching extended reality” 논문을 게재하여 XR 디스플레이 분야에서 성과를 거두었고, 이어 2026년 1월에는 Opto-Electronic Advances (IF: 22.4, Optics 분야 JCR 상위 3.6%)에 “High-fidelity full-color self-interference incoherent digital holography via quarter-wave geometric phase optics” 논문을 게재하여 홀로그래픽 이미징 분야에서도 우수한 연구 결과를 발표한 바 있다. 이러한 기존 QWP 기반 GPH lens 연구 성과에 이어, 이번에는 QWP 기반 GPH prism를 활용한 XR 광학계 연구에서도 의미 있는 성과를 추가로 도출하며 관련 연구를 지속적으로 확장해 나가고 있다. 

해당 논문은 Open Access로 아래 링크에서 확인하실 수 있다.

https://doi.org/10.1364/PRJ.580068

김학린 교수 연구실 홈페이지 : https://doe.knu.ac.kr/