SCHOTT, 유리 웨이퍼를 AR 도파관으로 만드는 방법

https://www.schott.com/en-gb/solutions-magazine/edition-1-2022/on-the-edge-of-augmented-reality

크게 2가지 도파관에 대해 다룹니다.

1. 유리 웨이퍼에 광학 격자를 추가하여 만드는 도파관

2. 유리에 반사 코팅 및 추가 처리 단계를 통하여 눈에 이미지를 반사시키는 도파관

https://youtu.be/RhsXgi2NbYA

“일부 AR 회사는 뛰어난 FOV와 선명한 이미지로 가장 몰입감 있는 경험을 제공하는데 중점을 둡니다. 하지만 다른 유명 브랜드의 경우에는 최고의 착용감을 위한 무게 감소 또는 스마트 안경의 미묘한 외견에 중점을 두고 이를 타협합니다.”라고 Matthias는 덧붙입니다.

넓은 시야는 주로 도파관 물질의 높은 굴절률과 관련이 있다고 설명했습니다. 그러나 광학 유리의 굴절률이 높을수록 유리 제제에 더 많은 금속 또는 희토류 성분이 첨가되어 제품이 무거워집니다.

Matthias는 "일반적으로 굴절률 증가와 중량 증가에 대한 비례관계는 최고의 광학 솔루션을 찾는 동시에 매끄럽고 가벼운 디자인을 염두에 두고 있는 혁신가에게는 큰 부작용으로 다가오게 됩니다."라고 덧붙였습니다.

“우리 유리 과학자들은 이 도전을 받아들였고 굴절률을 1.9 이상으로 유지함과 동시에 중량을 절반으로 줄이고 웨이퍼 평탄도를 개선했습니다. 이것은 기계적 특성을 향상시키면서 중금속 이온을 덜 첨가할 수 있게 해주는 완전히 새로운 유리 제형 덕분에 가능했습니다.”

유리 웨이퍼를 도파관으로 만드는 것

300mm 직경 형식의 유리 웨이퍼에 영구적인 광학 격자를 추가하는 것은 오스트리아 EV 그룹 (EVG)이 중점을 두는 부분입니다.

St. Florian am Inn에 위치한 이 회사는 반도체, MEMS, 화합물 반도체, 전력 장치 및 AR/MR 도파관과 같은 나노기술 장치 제조를 위한 대량 생산 장비 및 공정 솔루션 공급을 전문으로 합니다. 대량으로 입증된 나노임프린트 도구는 광학 기능을 가진 나노구조를 유리 웨이퍼에 추가하여 웨이퍼를 도파관으로 전환할 수 있습니다.

“AR 또는 MR을 위한 도파관은 한 지점에서 다른 지점으로 빛을 전달합니다. 이러한 도파관은 "격자"라고 하는 나노구조로 구성되며, 이는 당사의 나노임프린트 리소그래피 도구를 사용하여 유리 웨이퍼 위에 정확하게 추가됩니다."라고 EVG의 비즈니스 개발 관리자인 Andrea Kneidinger가 말했습니다.

"전용 광학 기능이 있는 격자는 빛이 내부 반사를 통해 유리 기판에 들어오고 나가는 것을 가이드 할 수 있게합니다."

광학 사양과 도파관 설계는 광학 설계자가 지정하지만 EVG 장비를 사용하면 나중에 기판에 도파관 설계를 정확하게 제작하고 복제할 수 있다고 Andrea는 덧붙입니다.

그녀는 계속해서 다음과 같이 덧붙였습니다. “디자인의 크기에 따라 유리 기판에 여러 개의 도파관을 추가할 수 있습니다."

또한 유리 기판에 격자 구조를 추가하려면 유리의 굴절률과 일치하는 맞춤형 수지가 필요합니다. 이러한 굴절률 1.9의 고급 수지를 공급하는 회사는 일본 Nagase Group의 계열사인 핀란드의 Inkron Oy 입니다.

EVG NIL 기계가 유리 웨이퍼에 광학 격자를 추가한 후 레이저가 웨이퍼에서 각 접안렌즈를 잘라냅니다.

웨이퍼 직경이 클수록 하나의 웨이퍼에서 더 많은 접안렌즈를 만들어낼 수 있고 접안렌즈당 비용이 낮아집니다.

각 가전 제조사는 이제 광학 엔진, 배터리 등을 추가하고 모든 구성 요소를 결합하여 AR/MR 안경을 만듭니다.

https://youtu.be/RhsXgi2NbYA

도파관의 작동 원리

(1) 프로젝터는 도파관 방향으로 디지털 이미지의 광파를 방출합니다.

(2) 프로젝터의 광파는 격자의 도움으로 정의된 위치에서 도파관으로 결합됩니다.

(3) 각 색상의 광파는 정의된 격자 영역에서 n번 결합됩니다. 사람의 눈은 각각 모양이 다르기 때문에 광파를 n번 분리해야 합니다. 도파관 기술은 일반적으로 3개의 유리 웨이퍼를 사용하며, 각 웨이퍼는 RGB(적-녹-청색) 색상 공간에서 한 가지 색상에 대한 도파관 역할을 합니다. 이 단순화된 이미지에서는 하나의 RGB 이미지만 표시됩니다.

(4) 움직일 수 있게 고정되지 않은 인간의 눈은 디지털 이미지와 실제 이미지를 모두 인식할 수 있습니다. 이것은 증강 현실의 보이는 부분을 만듭니다.

반사 도파관: 업계의 또 다른 선택

고굴절률 유리 웨이퍼와 광학 격자에 의존하는 회절 도파관 외에도 이스라엘 회사 Lumus가 개발한 대체 기술인 반사 도파관이 있습니다.

굴절 도파관과 달리 반사 도파관은 유리 내에서 반반사 미러의 계단식을 사용합니다. 이 미러는 광학 격자를 사용하지 않고 도파관에서 나온 빛의 일부를 사용자의 눈으로 안내합니다.

“반사 도파관은 이미지를 확장하고 프로젝터에서 나오는 디지털 정보를 사용자의 눈으로 반사시킵니다."라고 Lumus의 CEO인 Ari Grobman이 말했습니다.

그는 미국에서 태어나고 자랐으며 20년 전에 이스라엘로 이주하여 Lumus에서 15년 이상 근무했습니다. 2017년 Grobman은 Lumus의 CEO가 되었습니다. 그가 회사의 성과를 이야기할때에는 말 그대로 그의 자부심을 느낄 수 있었습니다.

Grobman은 다음과 같이 덧붙였습니다. “우리는 큰 소비자 브랜드와 지속적으로 높은 수준의 논의를 진행하고 있으며 우리의 제조 파트너인 SCHOTT와 함께 우리 기술의 대규모 채택을 굳게 믿습니다.”

 

https://youtu.be/ZqCM2kenft4

 

 

“반사 도파관은 주로 매우 투명한 광학 유리, 고급 코팅 및 IP로 확보한 일부 처리 단계로 구성됩니다. Lumus에서 우리는 대량 생산으로의 확장을 담당하는 파트너에게 이 기술을 라이선스합니다.”라고 Grobman은 말했습니다.

2020년에 SCHOTT와 Lumus는 최고 등급의 광학 유리 제조에서 최종 도파관에 이르는 모든 후속 공정 단계에 이르기까지 반사 도파관 생산의 모든 단계를 전문 유리 제조업체가 맡는 전략적 파트너십을 발표했습니다.