VOL. 189 December 2021
공간표시 디스플레이의 미래
코로나19는 IT 기술 개발의 패러다임에 큰 변화를 가져왔다.
재택근무, 원격 강의, 화상 회의 등의 비대면 교류가 보편화되고, 이를 지원하기 위한 IT 기술들이 주목받았다.
이런 비대면, 비접촉 기술의 효과적인 활용을 위해서는 상대방과의 실재감 있는 교감이 중요하므로
초실감 입체 영상 기술에 대한 관심이 증가하고 있다.
광파(Light-Field) 디스플레이light-Field
광파 기술은 3차원 공간에서 피사체로부터 반사되는 빛의 세기와 방향을 획득하고, 눈의 위치에 따라 조금씩 다르게 보이도록 디스플레이로 재현함으로써 완성도 높은 완전 입체의 실감 영상시청을 가능하게 하는 기술이다.
광파를 활용한 영상 서비스를 구현하기 위해서는 자연스럽게 완전 입체영상을 재현하는 LF(Light-Field) 영상획득 기술과 LF 영상 재현 단말 기술 개발이 필요하다. LF 기술은 다시점의 영상을 표현하게 되는데, 고전적인 양안 시차 방식의 단점인 시청 피로 현상이 나타나지 않게 하려면 동공 내에 여러 개의 시점 영상이 투영될 수 있도록 고밀도의 시점 영상을 제공해야 한다.
최근에는 AR/VR 시장의 확장이 기대되면서, 안경처럼 착용하는 형태인 근안 디스플레이(NED: Near-Eye Display)에서도 차세대 기술로써 LF 기반 NED 연구가 활발하게 진행되고 있다. LF 기반 NED는 영상의 초점 거리 및 심도 조절뿐만 아니라 시스템의 크기 및 구성을 줄일 수 있다.
근안 디스플레이(NED)
NED
AR/VR/MR 등이 새로운 미디어로 등장하면서 HMD(Head-Mount Display) 형태의 근안 디스플레이(NED)가 주목받고 있다. 근안 디스플레이는 장시간 착용에 따른 피로감 때문에 VAC(전류 변경 전압) 문제 해결 요구가 높은데 이를 위한 여러 가지 방안들이 강구되고 있다.
우선 광원에서 영상이 제공되는 것과 유사한 효과를 주도록 설계해 항상 초점이 맞는 영상을 제공해 문제를 해결하는 방법이 있다. 하지만 깊이감 표현이 불가능하므로, 사용자의 동공 방향을 측정해 양안이 수렴하는 위치를 알아내는 가변초점(Varifocal) 방식이나 여러 개의 초점 영상을 제공하는 다중초점(Multifocal) 방식을 이용해 깊이 정보를 제공하는 방법도 사용되고 있다.
하지만 가변초점이나 다중초점 방식에도 기술적인 한계가 있으며 궁극적으로는 근안 디스플레이에도 광파 디스플레이나 홀로그램과 같은 연속적으로 자연스러운 초점 제공이 가능한 입체 디스플레이 도입이 요구된다.
홀로그래픽 디스플레이
Holographic
홀로그래픽 기술은 빛의 간섭과 회절을 이용해 입체 영상을 재현하는 기술로 영상을 기록하는 방식에 따라 아날로그 방식과 디지털 방식으로 구분된다. 아날로그 방식은 재현된 홀로그램 이미지의 품질이 훌륭하지만 기록된 정보를 바꿀 수 없어 디스플레이 적용이 어렵다. 디지털 홀로그래피 기술은 미세 픽셀 수준에서 빛의 진폭이나 위상을 제어할 수 있는 SLM1)을 이용해 입체 영상을 구현한다. 각 픽셀의 정보를 변경할 수 있어 정지 영상의 이미지 변경뿐만 아니라 홀로그램 동영상의 구현이 가능해 추후 미디어 분야로의 많은 응용이 기대되지만, 해상도가 낮으며 시야각이 좁다는 단점이 있다.
SLM은 작은 픽셀들로 구성된다. 이 픽셀들 사이의 거리인 픽셀 피치가 감소해야 높은 공간주파수를 표현할 수 있으며, 시야각이 증대된다. 이 때문에 픽셀 크기와 픽셀 피치가 매우 작은 초고해상도 SLM을 구현하기 위한 다양한 시도가 이어지고 있다.
ETRI는 산화물 트랜지스터 기반의 3μm 픽셀 피치 초고해상도 SLM을 개발했으며, 최근에는 화소 구조의 최적화를 통해 1μm 픽셀 피치의 구현이 가능함을 보고했다.
1) SLM Spetial Light Modulator, 공간광변조기
체적(Volumetric) 디스플레이
Volumetric
체적 디스플레이는 공간상에 형성하는 픽셀인 ‘복셀2)’을 형성하는 기술을 활용한 디스플레이다. 스크린이 회전 또는 진동하면서 움직이는 동적 스크린(Swept Volume) 방식과 스크린의 움직임이 없는 정적 스크린(Static Screen) 방식으로 분류된다.
동적 스크린 방식의 체적 디스플레이는 일반적으로 회전판 위에 제작된 반사 또는 발광 스크린을 이용해 입체 영상을 구현한다. 스크린을 고속으로 회전시키면서 스크린이 바라보는 방향에 맞는 영상을 빠르게 투사해 입체 영상을 형성하며, 일정 시간 내에 생성된 화면 또는 이미지를 잔상 효과를 이용해 사용자에게 보여주는 방식이다. 그러나 잔상이 유지되는 시간 내에 영상을 구현하지 못하면 깜박거리는 현상이 발생하거나, 뒤쪽 또는 내부의 상이 재생되는 영상에 함께 비쳐 보이는 팬텀 이미지 현상이 나타날 수 있다.
정적 스크린(Static Screen)은 영상을 표시하는 스크린이 되는 매질이 움직이지 않는 방식이다. 일반적으로 광학적 기능을 가지는 매질을 이용하는 방법이 많이 제시됐으며, 최근 특별한 매질을 이용하지 않는 자유공간에 영상을 표시하는 방법들이 새로운 관심을 끌고 있다. 특별한 매질이 없는 공기로 이루어진 자유공간상에 영상을 표시할 경우, 영상 확장 측면에서 유리할 뿐만 아니라 사용자와 영상 사이에 장벽이 없어 인터랙션의 구현이 가능하다는 큰 장점이 있다.
2) 복셀(Voxel) 3차원 공간에서 정규 격자 단위의 값을 나타낸다.
미래가 기대되는 공간표시 디스플레이
The future
입체 영상을 표시하는 공간표시 디스플레이는 아직 기술의 발전 단계에서는 초창기에 해당하지만 미래 디스플레이의 주류가 될 것이라는 점에 대해서는 이미 넓은 공감대가 이루어져 있다.
그러나 언제쯤 어떤 기술이 시장에서 비중 있게 역할을 할 것인지는 아직 불확실한 측면이 커서 공간표시 디스플레이 기술 발전의 가속을 위해서는 결정적인 응용 분야의 개척이 절실히 요구되고 있다.
앞으로 근안 디스플레이에서 입체 영상의 획기적인 기술 진보와 상용화가 이루어진다면 AR/VR 시장의 폭발적인 성장세와 맞물려 매우 큰 파급효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
본 내용은 전자통신동향분석 35권 4호(통권 184)를 참고,
‘공간표시 디스플레이 연구 및 개발 동향’(조성목, 황치선, 최지훈, 김용해, 전상훈, 최경희, 김주연, 양종헌)을
재구성한 글입니다
