가상현실(VR:Virtual Reality)과 증강현실(AR:Augmented Reality)은 생각보다 아주 오래전부터 소개됐다. VR은 스타워즈, 매트릭스, 토탈리콜 등 1990년대부터 다양한 영화에서 등장해왔다. AR는 1992년 미국 공군 암스트롱리서치랩(Armstrong’s Research Lab)에서 개발한 버추어픽처(Virtual Fixtures)를 처음으로 본다. 이후 AR 기술은 게임과 영화, 일상생활에 다양한 형태와 목적으로 개발, 적용되고 있다.
2017년 인기몰이를 한 닌텐도의 ‘포켓몬고’ 게임을 기억한다면 AR 기술을 이해하는 것이 어렵지 않을 것이다. 실험실에서 아무리 높은 수준의 개발이 이루어진다고 해도 이를 소비하는 사람이 효용성을 느끼지 못한다면 논문용 기술에서 벗어나지 못한다. AR 기술은 포켓몬고의 히트로 그 전과 비교해 폭발적인 주목을 받았다고 볼 수 있다. 이후 이케아, 타미힐피거와 같이 AR 체험을 마케팅에 접목하거나 미술관과 박물관 큐레이팅을 위한 엡손의 스마트안경 등의 다양한 시도가 이루어지고 있다.
다양한 적용 범위와 효용 가치를 지닌 AR 기술의 대중화를 살피려면 디스플레이 기술에 대한 이해가 필요하다. 증강 ‘현실’이라는 말에서 떠올릴 수 있는 것처럼 AR 디스플레이는 사용자에게 현실을 대체 혹은 현실을 대신하는 수준의 이미지를 구현해야 한다. 오락, 정보전달 등의 기능을 가지는 시스템 이미지로 행위의 시작부터 끝까지 실제로 사용할 수 있어야 한다.
두 개의 눈을 통해 공간과 그 안에서 이루어지는 일련의 움직이는 이벤트를 감지하는 인간에게 AR 디스플레이가 비슷한 수준의 대체 현실을 구현하기 위해서는 몇 가지 기술조건이 만족하여야 한다. 디스플레이는 기본적으로 색을 내는 화소로 구성되어 있는데, 특히 AR 디스플레이는 인간의 시력으로 구분할 수 없는 화소 크기로 만들어야 한다. 영상 재생 속도가 인간 시력의 반응 속도가 따라올 수 없도록 최소 120Hz 이상이어야 한다. 현재 출시된 AR 기기나 전시체험관에서 짧은 시간 사용만으로도 어지러움이나 구토 증상 등으로 착용하기 힘든 것은 위의 요구 기술조건들을 만족시키지 못해서다.
AR 디스플레이를 위해 다양한 기술들이 여러 연구기관과 회사에서 이루어져 왔다. 화소 구조가 비교적 간단하고 높은 휘도를 낼 수 있는 액정 기반 마이크로 디스플레이는 하부기판을 유리로 사용하는 데서 오는 박막트랜지스터(TFT) 특성의 한계에 따른 고해상도 구현에 어려움이 있다.
마이크로 발광다이오드(LED)는 이론적으로 저전력 구동과 다양한 형태로 제작하는 것이 가능하다. AR와 VR 및 웨어러블기기 디스플레이를 포함해 다양한 크기 디스플레이 제작을 위해 애플, 삼성전자, LG전자 등 차세대 디스플레이로 투자와 개발을 진행하고 있다. 그러나 마이크로 LED는 전기적-광학적 특성의 균일도 확보와 적색의 발광 효율 개선, 디스플레이 구현을 위한 미세 전사기술의 확보가 필수적이어서 단시간 내에 상용화가 어렵다는 게 일반적인 의견이다.
중소형 디스플레이에서 큰 성공을 거둔 유기발광다이오드(OLED)는 별도의 광원이 필요하지 않다. 빠른 응답속도와 얇고 가볍게 제작 가능 등의 장점이 있어 OLED를 기반으로 한 마이크로 디스플레이가 AR용으로 큰 가능성을 인정받고 있다. 최근 개발 중인 마이크로 디스플레이는 고해상도 구현을 위해 유리기판이 아닌 실리콘 웨이퍼 위에서 만들어진다.
OLED 기반의 마이크로 디스플레이도 OLED가 유리기판과 폴리이미드(PI) 기판이 아닌 실리콘 웨이퍼 위에서 제작된다. OLEDoS(OLED on Silicon)라고 한다. 코핀, 소니, 프라운호퍼 등에서 OLED를 기반으로 하는 마이크로 디스플레이를 지속해서 개발, 발표하고 있다. 앞서 언급한 기술과 비교해 장점이 많으나 AR 디스플레이에 충분한 고해상도를 위한 OLED 증착 기술이 부족하다. 최근 보고에서는 3000ppi급의 시제품이 보고되고 있으나 제품화까지는 상당한 시간이 필요할 것으로 보인다.
고해상도 OLEDoS를 제작하기 위해서는 OLED 증착을 위한 수 마이크로미터 수준의 정밀한 화소 구성 기술이 필요하다. 연구개발(R&D) 단계의 개발에서 양산에 적용할 경우 수율과 공정 정합성의 이슈도 고려해야 한다. 이러한 문제를 해결하고 OLEDoS를 상용화시키기 위해 한국전자통신연구원(ETRI)에서는 백색 OLED를 적용한 디스플레이 개발을 진행하고 있다. 백색 OLED는 기판 위에 백색 OLED를 증착 후 컬러필터(CF)의 포토 공정을 통해 RGB 서브픽셀을 레이어링하는 기술이다. 고해상도 OLEDoS 솔루션을 제공 할 수 있다.
이 기술은 RGB 포토공정 시 OLED 소자의 특성이 영향을 받지 않도록 소자구조를 최적화하고 안정적인 인캡슐레이션(봉지)을 개발하는 등의 R&D가 필요하다. ETRI에서는 영하 45°C~70°C 의 온도 범위에서도 색좌표 변화(△u’v’)가 0.009로 만든 군사용 녹황색 OLEDoS 개발에 성공, 2018년 SID 및 IMID 학술대회에서 시연한 바 있다.
킬러 애플리케이션 개발이 AR 시장 성장의 가장 큰 요소로 언급되지만, 그에 앞서 이를 활용할 수 있도록 하는 하드웨어의 발전은 당면과제가 될 것이다. 10여년 전 영화에서 봤던 AR 시스템을 이용한 일들이 일상생활이 되는 날이 머지않았다. 실제 공간이 필요 없이 직접 경험하는 것과 같은 수준의 간접경험을 할 수 있고, 컴퓨터, 스마트폰 등의 화면 속에 한정되어 있던 정보가 공간의 제약을 벗어나게 될 것이다.
미래 디스플레이는 단순한 기술의 발전이 아닌 사용자에게 공간과 시간의 한계를 극복하게 하는 기술이다. AR는 미래 디스플레이 구현을 위한 가능성이 큰 하나의 플랫폼이 될 것이다. 사용자에게 '사용함의 가치'를 부여하고 사용하는 데 있어 방해요소를 최소화할 수 있도록 하는 R&D가 꾸준하게 이뤄져야 한다.
