AR/VR에서 그리는 큰 그림
고굴절률 도파관으로 제작한 디스플레이는 시야가 더 넓어 더욱 몰입감 넘치는 사용자 경험을 창출할 수 있습니다.
2024년 2월 7일, Coherent
벽돌만 한 크기로 손에 쥐기도 어려웠던 최초의 휴대전화를 기억하십니까? 현재의 휴대전화는 주머니나 지갑에 쏙 들어가는 세련되고 강력한 첨단 기기로서, 휴대전화 없이는 단 한순간도 생활하기가 어렵습니다.
증강 현실(AR) 고글 또한 비슷한 변화를 가져올 전망으로, 기존 안경만큼 편안하고 착용하기 쉽게 만드는 것이 목표입니다. 마이크로프로세서, 센서 및 연결성 분야의 발전 사항들이 이러한 진화를 지원하기 위해 이미 한데 결합되고 있습니다.
다만 AR 장치에 여전히 남아 있는 가장 중요한 기술적 과제 중 하나는 디스플레이 그 자체입니다. 특히 문제는 인간 시각 시스템의 엄격한 성능 요구 사항을 충족하면서도 작고 가벼운 디스플레이를 만드는 것입니다. 그리고 당연히 경제적으로 생산할 수 있어야 합니다.
AR 헤드셋 디자인 목표
이 모든 것을 달성하려면 AR 디스플레이 설계자가 여러 가지 서로 다른 목표를 동시에 달성해야 합니다. 먼저 AR 고글의 전체적인 크기, 무게, 무게 중심이 장시간 착용해도 충분히 편안한 수준이어야 합니다.
다음으로 디스플레이의 시각적 특성에 대한 몇 가지 중요한 요구 사항이 있습니다. 이러한 요구 사항 중 일부는 “선명도”라는 명칭으로 그룹화해 볼 수 있습니다. 여기에는 각도 해상도 및 채우기 비율(픽셀 사이의 공백)과 같은 속성이 포함됩니다. 색역과 색상 정확도도 고려 사항입니다.
게다가 디스플레이의 입체적인 측면도 있습니다. 즉, 헤드셋에 표시되는 물체의 겉보기 크기, 거리, 위치가 현실 세계를 직접 보는 것과 적절하게 일치해야 합니다. 그리고 디스플레이는 착용자나 외부 물체가 움직일 때 충분히 빠르게 업데이트되어야 합니다.
입체 영상(디스플레이가 제공하는 좌우 눈의 분리된 뷰를 통해 뇌에서 생성)을 쉽게 융합할 수 있어야 한다는 점도 매우 중요합니다. 이 부분에서 문제가 있으면 대부분의 사람에게 눈의 피로와 불편함이 거의 즉각적으로 발생하기 때문입니다. 믿기 힘들다면 사람들에게 3D 영화에 대해 어떻게 생각하는지 한번 물어보십시오.
'몰입도'라는 개념과 관련해서도 몇 가지 주요 고려 사항이 더 있습니다. 특히 디스플레이가 착용자의 시야를 더 많이 커버할수록 몰입도가 높아집니다. 기술적으로는 이를 디스플레이 시야(FOV)라고 합니다. 소비자용 AR 고글의 경우 머리 크기와 눈 사이 거리(동공 간 거리 또는 IPD라고 함)가 다양한 인구 집단에 대해 이러한 모든 요구 사항을 충족해야 한다는 점도 중요합니다.
가능성을 제시해 주는 도파관
AR 기술에 대한 이전 게시물에서 자세히 설명했듯이, AR 헤드셋과 관련된 특정한 과제는 디스플레이가 사용자의 눈 바로 앞에 위치하지 않는다는 데 있습니다. 그에 반해 VR 헤드셋에서는 사용자가 디스플레이를 똑바로 바라보며, 광학 장치를 사용하여 디스플레이가 더 멀리 있고 더 큰 것처럼 보이도록 만듭니다. 그러나 광학적으로 말하면 이 부분은 비교적 간단한 작업입니다.
AR 헤드셋 광학 장치는 사용자가 현실 세계를 직접 볼 수 있도록 외부에서 빛을 전송하는 “광 결합기”라는 투명한 부품을 사용해야 합니다. 또한 디스플레이 엔진 출력을 결합기 가장자리에서 중앙으로 채널링한 다음 이를 사용자의 눈으로 가져와야 합니다. 이는 컴퓨터가 생성한 이미지가 현실 세계 뷰 위에 겹쳐 나타나도록 하기 위한 것입니다. 이 부분은 VR 헤드셋 광학 장치로 수행되는 것보다 훨씬 더 복잡한 작업입니다.
이를 위해 매우 다양하고 독창적인 광학 시스템이 개발되었는데, 현재 사용되는 가장 유망한 기술 중 하나가 바로 평면 도파관입니다. 평면 도파관은 디스플레이 엔진의 빛을 사용자의 눈으로 안내하는 작고 투명한 채널이라 할 수 있습니다. 도파관은 광학 파이버에 사용되는 것과 동일한 원리인 “내부 전반사”(TIR) 현상을 이용하여 그 자체 내에 빛을 포함합니다.
TIR은 빛이 밀도가 높은 물질(예: 유리)에서 밀도가 낮은 매체(예: 공기)로 이동할 때 발생합니다. 이 현상이 일어나면 광선이 굴절됩니다. 즉, 방향이 변경됩니다. 굴절은 렌즈가 작동하는 방식입니다.
그러나 광선이 두 물질 사이의 경계에 충분히 큰 각도로 닿으면 완전히 다시 반사되어 물질에서 전혀 빠져나오지 않게 됩니다. 빛이 물질을 빠져나갈 수 없는 이러한 각도를 “임계각”이라고 합니다.
물질에서 빠져나와 공기로 이동하는 광선은 굴절됩니다(방향 변경). 그러나 더 큰 입사각에서는 물질로 완전히 반사되어 전혀 빠져나오지 않습니다. 물질의 굴절률이 높을수록 이 효과가 발생하기 시작하는 각도가 작습니다.
AR 고글에서 이 현상을 활용하는 방식은 이러합니다. 우선 '인커플러'를 통해 디스플레이 엔진의 빛이 임계각보다 큰 각도로 도파관에 유입될 수 있다고 상상해 보십시오. 그런 다음 빛은 이 유리 내로 이동하여 TIR에 의해 격리됩니다. 결합기의 중심에서 빛은 '아웃커플러'를 만납니다. 이를 통해 빛을 추출하여 사용자의 눈으로 향하게 할 수 있습니다.
도파관 기반 AR 헤드셋에서는 디스플레이의 빛이 인커플러를 통해 도파관의 가장자리 부근으로 유입됩니다. 그런 다음 빛은 TIR을 사용하여 도파관을 통과하고, 사용자의 눈 바로 앞에 있는 지점에 도달하면 커플아웃됩니다.
실제로 이와 같은 도파관을 만드는 데는 방대한 기술과 정교함이 필요합니다. 그러나 이러한 기술과 정교함은 실제로 작동하며 이미 사용되고 있습니다.
도파관의 장점은 일반 안경과 매우 유사하게 보이고 느껴지는 헤드셋을 만들 수 있다는 것입니다. 덕분에 소비자에게 광범위하게 수용될 수 있을 만큼 충분히 작고 가벼우며 사용하기 쉬운 제품을 만든다는 목표를 달성할 수 있습니다.
판도를 바꾸는 도파관 재료
도파관은 TIR을 통해 작동하며, 이에 대해 알아야 할 한 가지 중요한 사항이 있습니다. 바로 재료 굴절률이 증가함에 따라 더 작은 각도로 표면에 닿는 광선에 대해 TIR이 발생한다는 것입니다. 즉, 광선이 반사되는 각도 범위가 더 넓어지게 됩니다.
이것이 의미하는 바는 도파관에 굴절률이 높은 재료를 사용하면 더 넓은 시야를 확보할 수 있다는 사실입니다. 그리고 FOV는 AR 시스템 설계자가 달성하고자 노력하는 몰입형 경험을 창출하는 데 핵심입니다.
굴절률이 높은 재료로 제작한 도파관을 사용하면 사용자의 시야를 넓힐 수 있으며 따라서 몰입도가 높아집니다.
문제는 기존 광학 안경의 굴절률로는 방금 설명한 종류의 도파관으로 달성할 수 있는 FOV에 큰 제약이 있다는 것입니다. 유리 제조업체들은 이에 대응하여 더 높은 굴절률 재료를 개발했습니다. 그 결과물은 탁월했습니다. 하지만 재료에 존재하는 근본적인 한계를 극복할 수는 없습니다. 현재 유리로 달성할 수 있는 가장 높은 굴절률은 약 2.0입니다.
그런데 유리 외에도 가시광선을 투과하는 다른 물질이 있습니다. 그리고 그중 일부는 굴절률이 더 높으면서 기타 유리한 물리적 특성도 모두 갖추고 있습니다. 이러한 물질 중 두 가지는 크리스털 재료인데, 바로 굴절률이 2.3인 니오비움산 리튬(LiNbO₃)과 굴절률이 2.7인 실리콘 카바이드(SiC)입니다.
도파관 굴절률과 디스플레이 FOV 사이의 이론적 관계가 그래프에 표시되어 있습니다. SiC의 경우 가장 굴절률이 높은 유리를 사용하더라도 실현 가능한 디스플레이 FOV를 기본적으로 두 배로 늘릴 수 있습니다. 이는 AR 고글 설계자에게 혁신적인 요소입니다.
도파관 재료 굴절률과 AR 디스플레이의 실현 가능한 최대 FOV 사이의 이론적 관계입니다. LiNbO₃와 SiC 모두 유리 재료보다 월등히 우수합니다.
더 큰 FOV 외에도 고굴절률 재료에는 또 다른 장점이 있습니다. 현재 도파관 디자인에서는 흔히 2개 또는 3개의 개별 유리를 사용하는데, 색상별로 하나를 사용하거나 두 가지 색상에 하나를 사용하는 형태입니다. 특히 SiC의 경우 굴절률이 높기 때문에 세 가지 색상 채널(빨간색, 녹색, 파란색) 모두를 단일 도파관으로 결합할 수 있습니다. 덕분에 헤드셋 크기, 무게 및 비용이 크게 개선됩니다. 또한 SiC는 매우 강하고 가벼운 재료입니다.
LiNbO₃와 SiC 모두 고굴절률 유리에 비해 실용성과 성능 측면에서 장점이 있지만 가격대도 더 높습니다. 반면에 이를 사용하면 전체 시스템과 제조 복잡성을 줄여 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
Coherent는 이러한 재료로 소비자에게 매력적인 가성비를 자랑하는 차세대 AR 장치를 실현할 수 있다고 믿습니다. Coherent는 이미 결정 성장부터 기판 제조까지 두 가지 재료 모두를 수직적으로 통합한 제조업체입니다. 또한 Coherent는 회절 커플러와 광학 코팅을 포함한 다른 도파관 부품도 제작할 수 있습니다. 게다가 Coherent의 모든 제조 공정은 대형 및 대량 생산으로 확장할 수 있습니다. Coherent는 AR 시스템 설계자와 협력하여 이러한 재료를 기반으로 도파관 디스플레이를 개발하고, 대량 생산을 안정적으로 지원할 준비가 되어 있습니다.
