AR/VR을 통해 전체적인 상황을 파악하다
고굴절률 도파관을 사용한 디스플레이는 더 넓은 시야를 제공하며, 더욱 몰입감 있는 사용자 경험을 선사합니다.
2024년 2월 7일Coherent
벽돌처럼 크고 무거워 들고 다니기 힘들었던 첫 번째 휴대전화를 기억하시나요? 오늘날 휴대전화는 누구나 아무 생각 없이 주머니나 가방에 넣고 다니며, 없으면 살 수 없을 정도로 세련되고 강력한 기적이 되었습니다.
증강현실(AR) 고글은 기존의 안경처럼 편안하고 간편하게 착용할 수 있도록 하는 것을 목표로, 이와 유사한 변화를 꾀하고 있습니다. 마이크로프로세서, 센서, 연결 기술의 발전이 이미 결합되어 이러한 진화를 뒷받침하고 있습니다.
그러나 AR 기기에서 해결해야 할 가장 큰 기술적 과제 중 하나는 바로 디스플레이 자체입니다. 구체적으로 말하면, 소형 경량임에도 불구하고 인간의 시각 시스템이 요구하는 까다로운 성능을 충족하는 디스플레이를 만드는 것이 문제입니다. 그리고 물론, 경제적으로 생산 가능해야 한다는 점도 중요합니다.
AR 헤드셋의 설계 목표
이 모든 것을 달성하기 위해서는 AR 디스플레이 설계자가 여러 가지 서로 다른 목표를 동시에 달성해야 합니다. 우선, AR 고글의 전체적인 크기, 무게, 무게 중심은 장시간 착용해도 충분히 편안해야 합니다.
다음으로, 디스플레이의 시각적 특성에는 몇 가지 중요한 요건이 있습니다. 이러한 특성들은 ‘선명도’라는 개념으로 묶어 설명할 수 있습니다. 여기에는 시야각 해상도나 필 팩터(픽셀 사이의 빈 공간) 등이 포함됩니다. 색역과 색 재현 정확도 역시 고려해야 할 사항입니다.
또한 디스플레이의 입체 시야 측면도 있습니다. 즉, 헤드셋을 통해 표시되는 물체의 겉보기 크기, 거리, 위치가 현실 세계의 직접적인 시야와 정확히 일치해야 합니다. 또한 디스플레이는 착용자나 외부 물체의 움직임에 맞춰 충분한 속도로 갱신되어야 합니다.
또한, 입체 영상(디스플레이를 통해 양쪽 눈에 각각 다른 영상이 표시됨으로써 뇌에서 생성되는)의 융합이 용이해야 한다는 점도 중요합니다. 왜냐하면 이 문제는 대다수의 사람들에게 거의 즉각적으로 눈의 피로나 불쾌감을 유발하기 때문입니다. 믿기지 않는다면, 주변 사람들에게 3D 영상에 대해 어떻게 생각하는지 물어보세요.
‘몰입감’이라는 개념에는 그 밖에도 몇 가지 중요한 고려 사항이 있습니다. 구체적으로 말하면, 디스플레이가 착용자의 시야를 더 많이 덮을수록 몰입감은 높아집니다. 전문 용어로 이를 디스플레이의 시야각(FOV)이라고 합니다. 또한, 소비자용 AR 고글은 다양한 머리 크기와 안구 간 거리(동공 간 거리 또는 IPD라고 함)를 가진 사용자들의 요구 사항을 모두 충족해야 한다는 점도 중요합니다.
기대되는 도파관
AR 기술에 관한 이전 게시물에서자세히 설명했듯이, AR 헤드셋의 특별한 과제는 디스플레이가 착용자의 눈앞에 직접 위치하지 않는다는 점입니다. 반면 VR 헤드셋의 경우, 착용자가 디스플레이를 정면으로 바라보게 될 뿐만 아니라, 디스플레이를 더 멀리 있고 더 크게 보이게 하기 위해 광학 부품이 사용됩니다. 하지만 광학적인 관점에서 보면, 이는 비교적 간단한 작업입니다.
AR 헤드셋의 광학 부품에는 ‘광학 결합기’라고 불리는 투명한 부품이 반드시 사용되어야 합니다. 이 부품은 외부에서 들어오는 빛을 전달하여 사용자가 현실 세계를 직접 볼 수 있게 해줍니다. 또한, 디스플레이 엔진의 출력을 결합기의 가장자리에서 중앙으로 이동시켜 착용자의 시선 방향으로 맞춰야 합니다. 이는 CG 영상이 실제 풍경과 겹쳐 보이도록 하기 위함입니다. 이는 VR 헤드셋의 광학 시스템이 수행하는 작업보다 훨씬 더 복잡한 작업입니다.
이를 위해 매우 정교한 다양한 광학 시스템이 개발되었으며, 평면 도파관은 현재 사용되고 있는 가장 유망한 기술 중 하나입니다. 평면 도파관은 디스플레이 엔진에서 착용자의 눈으로 빛을 전달하는 작은 투명한 통로와 같습니다. 도파관은 광섬유에서 사용되는 것과 동일한 원리인 ‘전반사’(TIR) 현상을 이용하여 빛을 도파관 내부에 가둡니다.
TIR은 빛이 밀도가 높은 물질(유리 등)에서 밀도가 낮은 매체(공기 등)로 들어갈 때 발생합니다. 이때 광선은 굴절되어 방향을 바꿉니다. 굴절은 렌즈의 기능입니다.
그러나 광선이 두 물질의 경계면에 충분한 각도로 부딪히면, 광선은 완전히 반사되어 물질 밖으로 전혀 빠져나오지 않게 됩니다. 빛이 물질 밖으로 빠져나올 수 없는 각도를 ‘임계각’이라고 합니다.
물질에서 공기 중으로 나온 광선은 굴절합니다(방향이 바뀝니다). 하지만 입사각이 더 커지면 완전히 반사되어 물질 안으로 다시 들어가 버리므로, 전혀 빠져나오지 않습니다. 물질의 굴절률이 높을수록 이 현상이 나타나기 시작하는 각도는 더 작아집니다.
이 현상을 AR 고글에 적용하려면, ‘인커플러’를 통해 디스플레이 엔진에서 나오는 빛이 임계각 이상의 각도로 도파관으로 유입된다고 상상하면 됩니다. 그런 다음 빛은 이 유리 속을 통과하며 TIR(전내반사)에 의해 가둬집니다. 컴바이너의 중앙에서 빛은 ‘아웃커플러’에 부딪히게 됩니다. 이를 통해 빛이 추출되어 착용자의 눈을 향해 투사됩니다.
파장 가이드 기반 AR 헤드셋에서는 디스플레이에서 나오는 빛이 인커플러를 통해 파장 가이드의 끝부분 근처로 유입됩니다. 이후 전내반사(TIR)를 이용해 파장 가이드를 통과한 빛은 착용자의 눈앞 지점에 도달하면 결합됩니다.
이러한 도파관을 실제로 작동시키려면 엄청난 기술력과 첨단 기술이 필요합니다. 하지만 실제로 작동하는 도파관은 이미 사용되고 있습니다.
유도파로의 장점은 일반 안경처럼 보이는 헤드셋을 만들 수 있다는 점입니다. 이를 통해 소비자들에게 널리 받아들여질 수 있도록 충분히 작고 가벼우며 사용하기 편리한 제품을 개발하겠다는 목표가 명확해졌습니다.
혁신적인 도파관 소재
도파관이 작동하는 것은 TIR 덕분이지만, 이에 대해 알아두어야 할 중요한 사실이 하나 있습니다. 바로 재료의 굴절률이 높아지면 표면에 닿는 광선의 각도가 작아져 TIR이 발생한다는 점입니다. 즉, 더 넓은 각도 범위에서 반사된다는 뜻입니다.
이는 도파관에 고굴절률 재료를 사용함으로써 더 넓은 시야를 확보할 수 있음을 의미합니다. 또한, FOV는 AR 시스템 설계자들이 추구하는 몰입감을 구현하는 데 있어 핵심적인 요소가 됩니다.
굴절률이 높은 소재로 제작된 도파관은 착용자에게 더 넓은 시야를 제공하여 몰입감을 높여줍니다.
문제는 기존의 광학 유리의 굴절률이 앞서 언급한 것과 같은 도파로를 통해 달성 가능한 시야각(FOV)을 현저히 제한하고 있다는 점입니다. 유리 제조사들은 굴절률이 더 높은 소재를 개발함으로써 이에 대응해 왔습니다. 이는 훌륭한 성과였습니다. 하지만 소재의 근본적인 한계를 극복하지는 못했습니다. 현재 유리로 달성 가능한 최고 굴절률은 약 2.0입니다.
그러나 유리 외에도 가시광선을 투과하는 재료는 있습니다. 그중에는 더 높은 굴절률과 그 밖의 바람직한 물리적 특성을 겸비한 것들도 있습니다. 그중 두 가지는 결정질 재료로, 굴절률 2.3의 리튬니오브산염(LiNbO₃)과 굴절률 2.7의실리콘카바이드(SiC)입니다.
도파관의 굴절률과 디스플레이 시야각(FOV) 간의 이론적 관계를 그래프로 보여줍니다. SiC는 굴절률이 가장 높은 유리를 사용했을 때와 비교해도 디스플레이의 시야각을 실질적으로 2배로 늘려줍니다. 이는 AR 고글 설계자들에게 획기적인 성과입니다.
이 그림은 도파관 재료의 굴절률과 AR 디스플레이의 최대 시야각(FOV) 간의 이론적 관계를 보여줍니다. LiNbO₃와 SiC는 모두 유리 재료보다 더 큰 이점을 제공합니다.
고굴절률 소재의 장점은 시야각(FOV)이 넓다는 점 외에도 있습니다. 현재의 도파관 설계에서는 대개 두 개 또는 세 개의 별도 유리 소재가 사용됩니다. 특히 SiC의 높은 굴절률 덕분에 세 가지 색상 채널(적색, 녹색, 청색)을 모두 단일 도파관에 통합할 수 있습니다. 이를 통해 헤드셋의 크기, 무게, 비용을 크게 개선할 수 있습니다. 게다가 SiC는 매우 견고하면서도 가벼운 소재입니다.
LiNbO₃와 SiC는 모두 고굴절률 유리보다 실용적이고 성능 면에서 우수하지만, 비용도 더 많이 듭니다. 반면, 이 소재들을 사용하면 전체 시스템 및 제조 공정의 복잡성을 줄이고 제조 비용을 절감할 수 있습니다.
코히어런트(Coherent)는 이러한 소재를 통해 소비자에게 매력적인 가성비를 갖춘 차세대 AR 기기를 구현할 수 있을 것으로 보고 있습니다. 당사는 이미 결정 성장부터 기판 제조에 이르기까지 두 소재 모두를 수직 통합 방식으로 생산하는 제조사입니다.또한 회절 커플러나 광학 코팅 등 다른 도파관 부품도 제작할 수 있습니다. 더불어 당사의 제조 공정은 모두 대형 사이즈 및 대량 생산에도 대응 가능합니다. AR 시스템 설계자와 파트너십을 맺고, 이러한 소재를 기반으로 한 도파관 디스플레이를 개발하며, 양산을 확실하게 지원할 준비가 되어 있습니다.
