포스트코로나, 가상·증강현실(VR·AR)시대 열렸다

1968년 핵심부품 HMD 시초 기술 이미 진행

렌더링, 헤드트랙킹, 인터렉션 등 후속연구 활발

■실감전달 디스플레이 소재기술 정의 및 분류

가상현실(virtual reality, VR) 및 증강현실(augmented reality, AR) 기술은 현실과 분리된 가상환경 또는 현실 세계와 가상의 체험을 결합하는 서비스를 제공하는 일련의 기술로서 비접촉 기반의 생활 및 업무 분위기의 활성화가 예상되는 포스트(post) 코로나 시대의 핵심 기술로 주목받고 있다.

가상현실은 인공적인 기술을 활용하여 인간의 오감을 자극함으로써 실제로 존재하지 않는 가상의 현실을 실제와 같이 체험하게 하는 기술이며, 증강현실은 실제 환경에 가상 사물이나 정보를 결합하여 원래의 환경에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는 기술이다.

가상현실은 사용자의 시야각(viewing angle) 전체를 가상의 영상으로 채울 수 있는 HMD(head-mounted display)를 주로 활용하며, 증강현실은 HMD 이외에도 스마트폰, 프로젝션 기술 등 다양한 기기를 활용한다.

가상 및 증강현실의 핵심 부품인 HMD(head-mounted display)의 시초는 1968년 당시 미국 유타대학교(University of Utah)에서 컴퓨터 공학을 연구하던 이반 에드워드 서덜랜드(Ivan Edward Sutherland)가 만든 HMD이다. 현대의 VR/AR 기기에서 구현하고자 하는 렌더링(Rendering), 헤드 트랙킹(Head Tracking), 인터렉션(Interaction) 기능들을 모두 구현한 선도적인 연구 결과로 평가받고 있다고 한다. 이러한 기능들은 VR/AR 분야에 대한 통합 체계로 분류되어 다음과 같이 정의된다.

① 디스플레이 기술(Display Technology)

- 가상/증강현실 속 몰입 콘텐츠(immersive experience)를 사용자가 감각적으로(예: 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각, 움직임 등) 경험할 수 있도록 제공하는 표시장치 기술

② 트래킹 기술(Tracking Technology)

- 몰입 콘텐츠에서 사용자의 생체 데이터(예: 머리, 손, 발, 몸, 눈동자 움직임, 생리적 지표 등)를 실시간으로 추적하는 기술

③ 렌더링 기술(Rendering Technology)

- 표시장치에 보여지는 몰입 콘텐츠를 고해상도/고화질로 구현하는데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 기술

④ 인터랙션 및 사용자 인터페이스 기술(Interaction & User Interface Technology)

- 가상/증강현실 속 몰입 콘텐츠를 지각, 인지, 조작, 입력할 수 있도록 돕는 상호작용 및 인터페이스 기술

가상 및 증강현실 기기에 사용되는 HMD의 광학 구조는 <그림 2>에서 나타낸 바와 같이 디스플레이, 렌즈 등의 광학계로 이루어져 있다.

VR용 HMD 에서는 디스플레이(물체)를 렌즈의 초점거리보다 가까운 거리에 고정시킴으로써 실제 디스플레이 깊이보다 이미지가 더 멀리 있는 것처럼 느끼게 유도함과 동시에 렌즈에 의해 왜곡된 이미지를 보정한 양안 시차에 의해서 3D 입체감을 느낄 수 있게 만든다.

AR용 HMD는 가상의 정보뿐만 아니라 현실 세계의 정보도 제공해야 하므로 현실 세계에 가상의 이미지를 결합하기 위한 광합성기(optical combiner) 등이 필요하다.

가상 및 증강현실 기기의 실감전달을 위한 핵심 부품은 단연 디스플레이다. 현재의 VR용 HMD는 단독 초고해상도 디스플레이 패널 또는 스마트폰 형태의 LCD(Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light-Emitting Diode) 패널을 활용하고 있다.

그리고 현재의 AR용 HMD는 실리콘 웨이퍼 위에 초소형의 LCD 또는 OLED를 올린 형태의 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 및 OLEDoS(OLED on Silicon)를 투과형 스크린에 반영하여 외부 현실 세계 정보와 가상의 영상을 동시에 제공하고 있다.

LCD 기반의 LCoS 디스플레이가 AR용 HMD 적용에 많은 장점이 있으나, 핵심 소재인 액정(LC)은 온오프(on/off) 기능이 주된 역할이며, 실감 영상을 구현하기 위해서는 액정(LC) 소재보다는 AR 기기의 광학계가 중요한 요소가 된다. 따라서 본 장에서는 가상/증강현실 분야의 실감전달을 위해서 스스로 빛을 내는 자발광 디스플레이 소재 기술의 원리 및 연구개발 동향과 산업 동향에 관해서 기술하고자 한다.

■ 기술의 원리

VR/AR 기기의 사용 시 어지럼증 등의 불편함을 줄이고 생생한 실감 영상을 구현하기 위해서는 시야각(FOV: Field of View), 해상도, 재생빈도가 핵심적인 요소이다. 높은 실감전달을 위해서는 다음의 <표 1>에서 보는 바와 같이, 시야각은 수평 160°, 수직 135°(단안 기준)가 필요하며, 해상도는 공간 분해능인 PPD(Pixels-per-degree)로 단위 각도당 60개(시력이 1.0인 사람을 기준)의 픽셀이 필요하고, INTEL社는 최적의 AR/VR 기술 구현을 위한 디스플레이 재생빈도를 120Hz 수준으로 설정하고 있다.

시야각, 해상도, 재생빈도의 주요 인자 중에서 VR/AR 기기의 실감전달을 위한 디스플레이 소재 관점에서 가장 필요한 요구조건은 해상도이다. 특히 VR 기기를 통해 사람의 눈에 보이는 확대된 가상의 이미지는 해상도에 따라서 불편함을 많이 느낄 수도 덜 느낄 수도 있다.

다음의 <그림 3>에서 보는 바와 같이 디스플레이는 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)색의 빛을 내는 픽셀 부분과 픽셀과 픽셀 사이에 빛을 내지 않는 공간이 존재하게 된다. 이러한 빛을 내지 않는 공간이 디스플레이 이미지에 선으로 표시되는 것을 모기장 현상(Screen Door Effect)이라고 한다. 해상도가 낮으면 이러한 모기장 현상으로 VR 기기 착용 시 불편함을 느끼게 된다.

따라서 VR 기기를 착용할 때, 눈의 불편함이 없도록 실감 영상을 전달하기 위해 디스플레이에서 가장 핵심적인 요소는 빛을 내는 픽셀의 크기를 얼마나 작게 만드냐는 것이다. <표 1>에서 실감 영상 구현을 위해 요구되는 시야각 특성과 공간 분해능을 고려할 때, 9600(수평) x 8100(수직)개의 픽셀이 요구되는 것을 알 수 있다.

<그림 4>는 9600 x 8100개의 픽셀을 가지는 디스플레이를 구현하기 위해 실제 발광하는 디스플레이 크기(display size)에 따라 요구되는 PPI(pixels per inch)와 실제 디스플레이 픽셀 크기(pixel size)의 관계를 보여주고 있다. 디스플레이 크기 1인치 기준 약 10,000 PPI 이상의 픽셀 밀도가 요구되는 것을 알 수 있으며, 인간의 시각적 특성을 반영한 적정 시야각의 확보를 통한 화면 크기의 설정이 필요할 것이다.

디스플레이에서 화소 또는 픽셀은 이미지를 구성하는 최소 단위를 의미하며, 하나의 픽셀은 빛의 삼원색인 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)의 세 가지 기본 화소로 이루어져 있다. 또한, 디스플레이 화소는 크게 2개의 부분으로 나누어져 있다. 하나는 우리가 일상생활에서 볼 수 있는 빛을 내는 발광부가 있고, 발광부가 빛을 내도록 전기 스위치를 온오프(on/off) 시키는 TFT(Thin Film Transistor) 어레이로 이루어져 있는 백플레인(Backplane)이 있다. TFT 어레이로 이루어져 있는 백플레인은 일반적인 반도체 공정에 사용되는 포토리소그래피(Photolithography) 공정이 가능하므로 상대적으로 VR/AR급 고해상도 디스플레이 제조에 용이하다.

그러나 백플레인의 각 TFT 위에 발광부를 제작함에 있어 소재 특성으로 인해서 포토리소그래피공정으로 제작이 불가능하여 작은 픽셀 사이즈 구현이 매우 어렵다. 따라서 앞에서 살펴본 바와 같이 VR/AR 기기의 실감 영상 구현을 위해 매우 화소를 작게 만드는 고해상도 디스플레이 기술이 필요함을 알 수 있었고, 디스플레이 화소에서 스스로 빛을 내는 자발광 디스플레이의 발광부의 소재를 기준으로 얼마나 화소를 작게 만들 수 있는지에 대한 기술을 중점적으로 살펴보고자 한다. 자발광 디스플레이의 발광부 소재로는 OLED, 양자점(QD, Quantum dot), 마이크로엘이디(MicroLED) 소재에 대해서 살펴보고자 한다.

■포스트 코로나 대응 관점에서의 기술 중요성

가상 및 증강현실 기술은 ICT 기술의 발전과 콘텐츠 제작 환경의 변화, 5G 보급과 더불어 스마트폰을 대체할 새로운 플랫폼으로 시장의 관심을 받는 상황으로 전개되고 있다. 또한, 코로나 팬데믹 이후 비대면 사회로의 전환이 예상됨에 따라서 실감형 콘텐츠 기술과 함께 VR/AR 기술은 미래를 견인할 핵심기술로 주목을 받게 될 것으로 예상한다. 코로나-19로 인한 비대면 생활 방식의 증가로 인해 AR 및 VR 기술의 적용 분야는 의료, 제조/물류, 유통/마케팅, 교육, 도시/공공 분야 등 다양하게 적용될 수 있으며, 정보통신정책연구원(KISDI)에서 각 분야별 핵심 시나리오를 다음의 <표 2>와 같이 분석하였다.

VR/AR 기술이 포스트 코로나 시대의 핵심기술로 주목을 받게 되었지만, 비대면 사회에서의 성공적인 활용을 위해서는 실감 콘텐츠 개발이 중요할 것이고, 또한 편리한 사용감을 제공하는 HMD 하드웨어 개발이 필수적이다. HMD의 어지러움과 불편함을 개선하기 위해 색상, 밝기 등을 유지하면서도 디스플레이의 공간분해능을 향상시킬 수 있도록 픽셀 사이즈를 작게 만들어 해상도를 높이는 기술개발이 매우 중요하다.

▲ 최초의 HMD(Head Mounted Display)

▲ VR 및 AR 기기의 HMD 구조

▲ AR/VR 구현을 위한 디스플레이 요구 해상도

▲ 모기장 현상

▲ 디스플레이 크기에 따른 요구되는 PPI 및 픽셀사이즈 계산결과

▲ 디스플레이 화소 개념도 및 OLED 화소 구조

▲ 핵심 분야별 VR/AR 활용 분석