박재형 인하대학교 교수 ‘AR 근안 디스플레이에서 3D 영상 및 폐색 구현’ 발표
코로나19를 겪으면서 사람들은 가상현실에서 만남을 갖기 시작했다. 관련 시장과 기술 개발은 커져만 갔고 실제 환경에 가상의 컨텐츠가 결합되는 증강 현실(AR)도 주목받았다. 우리는 VR과 AR 세상을 경험하기 위해 주로 머리에 착용하는 안경형태의 디스플레이 기기 ‘AR 근안 디스플레이’를 접했다. 이와 관련, AR 근안 디스플레이 원리와 개선되어야 할 기술적 한계, 전망이 국내 최대 디스플레이 전문 학술대회 ‘IMID 2023’에서 소개됐다.
지난 15일 ⟪와이일렉⟫이 주최한 ‘IMID 2023 수상자 X 와이일렉 금요세미나’에서 박재형 인하대학교 교수는 ‘AR 근안 디스플레이에서 3D 영상 및 폐색 구현’을 주제로 발표했다. 박 교수는 이날 AR 근안 디스플레이의 구조적 원리와 기술적 한계점, 앞으로의 전망에 대해 공유했다.
AR 근안 디스플레이(AR NED, Augmented Reality Near-Eye Display)는 디스플레이 패널이 사용자의 눈에 가깝게 위치해 있으며 AR 기능이 탑재된 디스플레이 기기를 뜻한다. 마이크로소프트의 Hololens2, 매직 리프(Magic Leap)의 ONE, TWO 등 안경처럼 착용하는 형태가 대표적이다.
박 교수는 “근안 디스플레이의 경우 초점이 잡히지 않거나 물체가 잘 안보이게 된다는 특징이 있는데 AR NDE는 이를 해결하기 위해 중간에 렌즈를 삽입해 사용자로부터 물체를 멀리 있게끔 허상은 만드는 원리가 적용된다”며 “돋보기와 비슷하다”고 설명했다.
허상을 만드는 방법은 다양한 종류가 있다. 최근 주로 사용되는 구조는 ‘웨이브가이드’이다. 웨이브가이드는 1mm 이하의 얇은 플라스틱 내에 인풋 커플러와 아웃풋 커플러 2가지를 이용해 사람의 시야에 외부물체를 보여준다. 인풋 커플러는 외부에서 들어오는 빛을 크게 꺾어 밖으로 나가지 않도록 하며 아웃풋 커플러는 빛을 우리의 눈으로 들여보낸다.
이때 아웃풋 커플러는 종류에 따라 각각의 장단점이 존재한다. 반사에 기반한 반투명한 거울 형태의 커플러는 빛의 파장에 따른 특성의 차이가 없다는 장점이 있지만, 이를 사용할 경우 제품의 두께는 두꺼워질 수 있다. 회절 커플러는 매우 얇게 만들 수 있으나 빛의 파장으로 인해 화질 측면에서 번짐 문제가 있다.
AR NED의 기술적 한계도 있다. 박 교수는 “아직 기술 개발이 완벽하지 않기 때문에 VR 글래스를 썼을 때처럼 구토나 어지러움 등의 문제가 개선되어야 한다”고 말했다. 그가 꼽은 AR NED의 이슈는 폼팩터, 시야각 및 해상도, 반응속도, 광효율, 포커스 큐 등이다.
AR NED에는 센서, 광학계, 디스플레이, 프로레서 등 다양한 구성요소가 있어 기기가 크고 무겁다. 이는 기술 개발을 통해 안경처럼 쓸 수 있도록 경량화가 필요하다.
시야각과 해상도 문제도 있다. 사람의 눈이 주변을 인식할 수 있는 시야각은 약 180도이지만 AR NED를 착용했을 때 시야각은 매우 좁아진다. 박 교수는 “인지가능한 시야각의 오차범위가 아직은 크고, 약 50도 내외로 줄일 수 있도록 개선되어야 한다”고 말했다. 덧붙여 “디스플레이의 해상도를 높일수록 기기의 시야각이 좁아지는 문제가 있어 어떻게 하면 상충관계를 벗어날 수 있을지가 연구 주제로 꼽힌다”고 언급했다.
허상의 반응속도도 아직 느리며 인풋 커플러와 아웃풋 커플러를 거칠 때 파장에 대한 효율 변화가 크다는 기술적 한계가 존재한다. 효율 변화가 크다는 것은 광효율이 떨어진다는 것이다.
마지막 기술 한계로 박 교수는 “우리가 AR, VR 기기를 착용했을 때 느껴지는 피로감과 멀미, 어지러움은 기기가 무겁다는 점도 있지만 포커스 큐 문제가 가장 크다”고 밝혔다. 포커스 큐 문제는 전정기관과 시각기관 간의 정보가 불일치되는 상황이다. 물체가 멀리 있으면 괜찮으나 물체와 1m 이내의 가까운 거리일 때는 전정기관과 시각기관 간 정보 불일치가 매우 커 어지러움이나 피로감을 느끼게 된다.
박 교수는 “아직 여러 한계들이 있지만 AR 기술 개발은 계속되어야 한다”며 “기술 개발을 통해 다음 차원의 디스플레이 경험을 쌓을 수 있을 것“이라며 기대감을 표했다.
여러 시장조사기관에 따르면 2030년 AR NED의 시장 규모는 1조5000억달러로 전망된다. 제조, 물류, 의료, 교육 등의 분야에 적용될 수 있으며 소비자들은 게임, 스마트폰을 대체하는 기기로 사용할 수 있다.
한편, IMID는 국내 최대 디스플레이 전문 학술대회다. 디스플레이 산업 및 학계 전문가들이 모여 연구 결과와 관련 기술과 지식 등을 공유하는 자리다. 올해는 약 20개국에서 3000여 명의 전문가들이 참석했으며 약 810편의 논문이 소개됐다.
디일렉=이민조 기자 [email protected]
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