Special 메타버스 산업 생태계 확산을 위한 광융합기술 개발동향

메타버스용 AR광학기술 및 디바이스 개발동향

하정훈_(주)레티널 기술이사
박순기_(주)레티널 선행연구팀 팀장
김지명_(주)레티널 선행연구팀 연구원

1. 서론

1-1 코로나 시대가 만든 메타버스라는 신기루
코로나 팬데믹이 도래하고, 사회적 거리두기가 시행되면서 사람들은 서로를 연결해주는 원격 업무나 소셜 모임, 또는 대리만족형 플랫폼 등에 더 많은 시간을 보내게 되었다. 이런 흐름을 포착한 거대 IT기업들은 이러한 소비자의 변화에 민감하게 반응하였고 결과적으로 메타버스라는 키워드가 대두되었다. 코로나를 통해 사람들은 더더욱 메타버스 세상에 익숙해졌고, 코로나 종식 이후에도 이러한 현상이 유지될 것이라는 기대감과 함께 메타버스에는 어마어마한 돈이 몰려들었다 [1,2].
　　그러나 코로나가 종식되면서 콘텐츠 소비패턴은 이전과 같은 수준으로 돌아왔다. 특히 팬데믹 시기에 유행했던 몰입도 높은 콘텐츠들의 사용시간은 급격하게 줄어들었다. 반대로 몰입도가 적고 피로도가 낮은 콘텐츠들의 사용시간은 다시 늘어났다. 소비자들은 VR 같은 본격적인 콘텐츠보다는, 피로도가 낮고 가볍게 오랜 시간 사용할 수 있는 콘텐츠를 선호하기 시작했다.
　　이러한 콘텐츠 소비 트렌드는 AR, VR디바이스에도 영향을 미치기 시작했다. 흔히 메타버스기기라고 불리던 XR장비들은 높은 몰입도를 제공하는 디바이스가 주를 이루었지만, 이제는 다시 경량형, 일상용 스마트안경 등으로 개발 방향성이 바뀌고 있다. 이러한 이유로 AR, VR기기시장 전망은 여전히 높은 수준이다[3].
　　
1-2 메타버스 디바이스의 정체성
콘텐츠 소비용 디바이스들은 입력장치와 출력장치의 조합으로 이루어져 있다. 예를 들어, PC의 경우 키보드와 마우스라는 입력장치와 모니터라는 출력장치의 조합으로 구성되어 있고, 스마트폰의 경우 정전식 저전력 터치패널과 평면디스플레이의 조합으로 이루어져 있다. 이러한 조합은 지금은 당연한 것처럼 보이지만 처음에는 다양한 조합이 시도되었다. 버튼, 감압식 터치패드, 터치펜 등의 입력장치가 그 예다. 이런 출력장치들을 제치고 정전식 터치패드가 현재 주류를 이루게 된 이유는 무엇일까?
　　스마트폰이 처음 만들어진 시절로 돌아가 보자. 이전에도 음악, 인터넷, 전화 기능을 갖춘 모바일 디바이스들이 많았지만, 스마트폰은 이러한 기능들을 하나로 통합했다. 물론 노트북이나 PDA 같은 기능을 가진 디바이스들도 있었고, 성능이 더 뛰어난 것들도 존재했다. 하지만 스마트폰이 인기를 얻을 수 있었던 이유는 단순히 성능만이 아니었다. 스마트폰은 ´원핸드 디바이스´라는 강력한 정체성을 가지고 있었다. 이전의 모바일 기기들은 한 손으로 입력하기 어렵고, 직관적이지 않으며, 무게도 두 손으로 들어야 할 만큼 무거웠다. 즉, 한 손으로 쉽게 입력할 수 있고, 한 손으로 들 수 있는 가벼운 무게 등의 요건을 충족시킨 것이 바로 스마트폰의 매력이었다. 이러한 기조는 지금도 유지된다. 스마트폰은 한 손으로 들 수 있는 무게나 크기를 초과하지 않고, 두 손이 필요한 입력장치가 주류가 되지도 않는다. 이처럼 스마트폰의 정체성이 ‘원핸드 디바이스’ 라는 걸 인지한다면 스마트폰의 무게, 성능 등 제약조건을 이해할 수 있게 된다. 마찬가지로 메타버스 장비, 혹은 스마트안경의 정체성을 인지하면 성능, 무게 등의 제약조건을 이해할 수 있게 된다.
　　스마트 안경에 대해 기업들이 바라보는 정체성은 2가지로 극단적으로 나뉘고 있다. 첫번째는 흔히 XR장비라고 불리는 ‘온몸으로 느끼는’ 몰입형 디바이스이고 다른 하나는 흔히 AR안경이라고 불리는 ‘핸즈프리’ 일상용 디바이스다. 몰입형 디바이스는 넓은 시야각, 촉각, 청각 등 고성능의 출력장치가 필요하고, 직접 조작이 가능한 3D 입력장치가 필요하다. 편안함이나 오랜 동작성은 디바이스의 정체성상 설계 시 우선순위에서 밀려난다. 일상용 AR안경은 ‘핸즈프리’가 추구된다. 집안일, 업무, 육아, 운전 등의 일상활동에 손을 쓰면서 콘텐츠를 소비하고 이를 조작할 때는 손을 쓰지 않거나 조작의 필요성이 최소화되는 것이 적절하다. 따라서 고성능 출력장치나 고성능 입력장치가 필요 없고, 가볍고 오래 동작 해야 하고, 편안하게 쓸 수 있어야 한다.
　　　　
1-3 디바이스 개발 방향성의 변화
앞서서 팬데믹이 끝나면서 몰입도 높은 콘텐츠보다, 가벼운 콘텐츠로 소비자의 니즈가 증가하고 있다고 소개했다. 또한 글로벌 기업들이 안경을 개발할 때 추구하는 방향은 몰입형 디바이스와 일상용 디바이스로 극단적으로 나뉘어 있다는 것도 소개하였다. 결론적으론 글로벌 기업들은 팬데믹 시기를 겪으며 대부분 몰입형 디바이스를 만들어왔으나 팬데믹이 끝나고 일상용 디바이스로 개발 방향성을 전환하고 있다.
　　디바이스의 개발 방향성이 완전히 바뀌어 버리면서 메타버스 하드웨어 시장도 대격변 중이다. 프로세서 관점에서는 이전까지는 높은 전력소비에 고성능 XR칩이 개발되었다면, 이제는 영상이나 간단한 모션 트레킹 정도만 가능한 저전력소비 칩이 등장하고 있고, 출력장치 또한 이전까진 큰 화면과 높은 밝기 등 고성능적인 면이 추구되었다면 이제는 낮은 소비전력과 가벼움 등 오래 착용 혹은 동작할 수 있는 성능이 추구되고 있다. 입력장치 또한 그동안 개발된 정밀하지만 무거운 3D 리모컨 등이 아닌 간단한 입력장치로 방향성이 전환되고 있다.

2. 본론

2-1 몰입형 디바이스 개발 동향
몰입도를 극대화하는 디바이스에서 사용되는 출력방식으로 패스스루 (pass-thru) VR/MR 방식과 풀 (full) MR 방식이 있다. 패스스루 VR/MR 방식이란 일반 VR광학 장비에 카메라를 사용하여 앞의 주위 환경이나 눈 앞의 물체를 영상으로 보는 것으로 시스루(see-through) 효과를 만들어내는 기술이며 메타 퀘스트 프로, PSVR2 등의 제품에 적용되어 있다. 카메라와 센서 등 추가적인 부품들을 필요로 하기 때문에 업체들은 팬케이크 렌즈 적용 등을 통한 폼팩터 개선과 부피 감소를 도모하였지만 여전히 실시간 영상 처리를 위한 고성능 칩셋이 요구되어 전력소모량 매우 크고 사용 시간에 제약이 있다는 단점이 있다. 풀 MR 방식이란 실제 물체를 카메라를 통해서가 아닌 사람의 눈으로 직접 보는 것으로 현재 홀로렌즈2, 매직립2 등에 적용되어 있다. 마찬가지로 공간 인지 입력장치 등을 탑재한 성능에 집중을 한 제품군이기에 고성능 칩셋을 요구하고, 고성능 저효율 광학계를 탑재하여 폼팩터와 배터리 무게가 증가하여 일상 생활에서 사용하기에는 부담스러운 부피와 무게를 가지고 있다. 하여 게임이나 업무 등 제한적인 상황에서만 사용된다는 한계점을 가지고 있다.
　　이와 같은 문제점들을 해결하고자 광학업계에서는 무게와 부피를 줄이면서 광학적 성능과 효율은 올릴 수 있는 신소재, 신기술 개발에 많은 투자를 하고 있다. 특히 신소재 개발의 경우 고굴절 소재를 개발하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있는데 이는 AR/VR/MR기기의 출력장치의 성능에 결정적인 요소이기 때문이다. 굴절률이 높은 매질을 사용하여 렌즈를 제작하면 더 넓은 시야각을 가질 수 있으며, 높은 수준의 파장 투과율을 가져갈 수 있어 영상의 선명도를 올릴 수 있다. 또한 굴절률이 높을수록 전반사 각도를 낮출 수 있어 제품 두께와 무게를 낮출 수 있다. 즉 굴절률이 높은 매질을 이용할수록 더 크고 선명한 디지털 콘텐츠를 구현할 수 있다는 뜻이다. 유리의 경우 코닝사에서 굴절률을 2.0까지 올린 신제품을 출시했다 [6,7]. 플라스틱의 경우 굴절률 1.75를 넘는 재료가 극히 드물어 원료도 비싸고 제조 과정도 복잡하여 원가가 높았었지만 고굴절 필름을 플라스틱 표면에 코팅하여 표면 형상 그대로 1.9 이상의 굴절률을 갖게 하는 기술이 소개되어 증강현실 경험을 한 차원 높이게 되었다[8,9].
　　입력장치의 경우 VR에서 사용되는 모션 리모컨이 주류를 이루고 있으나, 홀로렌즈2처럼 카메라 센서를 탑재하여 손동작만으로 입력할 수 있는 UIUX경우도 있다.
　　
2-2 일상용 디바이스 개발 동향
일상용 디바이스의 경우에는 화면이 꺼져 있는 상태에서 외부 시야가 확보되어야 하기 때문에 광학 시스루가 필수적이다. 스마트안경에 활용되는 광학 시스루 출력장치는 광학 소자의 종류 혹은 광학구조로 구분된다. 광학 소자의 종류로는 Diffractive Optical Element(DOE) Holographic Optical Element(HOE)같은 회절 광학 소자와 하프미러나 유전체 거울과 같은 반사 소자가 있다. 광학 구조의 경우에는 Exit Pupil Expander(EPE) 구조, 버드배스(Birdbath) 구조, 그리고 LetinAR의 PinTILT(핀틸트) 구조가 있다[10-12].
　　EPE 구조는 그림1에서 볼 수 있듯이 많은 전반사와 복제로 출사동을 확장하는 방식으로 얇고 가벼운 폼팩터를 가져갈 수 있는 대신 사용자의 눈으로 들어오지 않고 낭비되는 빛의 양이 많아 전력소모가 크다는 단점이 있다. EPE 구조를 사용하는 업체는 Magic Leap, Lumus, Digilens 등이 있다[13,14].

그림 1. EPE 구조

　　버드배스 기술은 일반적으로 반거울, 빔스플리터와 같은 구조를 지닌다. 버드배스 구조는 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이 오목거울과 반거울을 조합한 비교적 단순한 구조로 이루어져 있고, 구동에 필요한 에너지가 EPE 대비 1/10 수준으로 아주 낮다는 강점이 있는 반면 부피가 크고 무게 균형이 앞쪽인 콧대로 쏠려 코가 가장 많은 무게를 지게 된다[15]. 사용하는 업체는 Nreal, Rokid, TCL 등이 있다[15,16].

그림 2. 버드배스 구조

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 5월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>