디스플레이 현황과 발전방향 -실감 및 스킨 기기로의 확대

AR/VR은 가상의 환경 혹은 객체와 상호작용을 통해 이용자에게 실재감과 몰입 경험을 제공하는 미디어로 주목받고 있다. AR/VR은 사물을 관찰하고 직접 체험하며 사물과 소통하고자 하는 인간의 원초적 욕구가 가장 잘 충족될 수 있는 기술이다.

스크린골프, HMD(Head Mounted Display) 콘텐츠, VR 테마파크, AR 게임, 스마트 팩토리, 360도 영상 등 AR/VR과 관련한 서비스가 빠르게 증가하고 있을 뿐만 아니라 의료, 제조, 국방 등 다양한 산업분야에서 AR/VR에 대한 요구도 증대되고 있다[11].

AR/VR 디바이스는 밀폐형 고글 형식의 HMD 및 안경 형태의 글라스가 주를 이루고 있다[12]. 구글은 2015년 4월 ‘구글 카드보드’를 발표하였고, 삼성전자는 보급형 기어 VR을 2015년에 출시하였다. 페이스북은 최근 199달러의 오큘러스 고(Oculus Go)를 공개하였다. 오큘러스는 2016년에 PC 기반 VR 헤드셋 ‘Oculus Rift’를 출시하였으며, 최근에는 초기 799달러이던 제품 가격을 399달러까지 낮추었다. HTC는 2016년에 VR 기기 ‘HTC 바이브’를 발매하였으며, 초기에 799달러이던 것이 최근에는 599달러로 대폭 낮아졌고, 2018년에는 ‘바이브 프로’를 공개하였다.

애플은 2017년에 AR 개발자 플랫폼인 ‘ARKit’를 선보였으며, 이를 통해 소비자가 iOS11 기기에 내장된 카메라, 프로세서, 모션센서를 활용해서 AR을 구현할 수 있는 솔루션 도구를 제공하고 있다. 파나소닉은 2018년 CES에서 경기장 좌석까지 가는 길이 표시되면서 경기장 안의 음식점, 카페 정보도 실시간으로 AR 글라스에 나타내는 ‘스마트 경기장 AR 기술’을 전시하였다.

한편 AR/VR 기기의 핵심 부품인 디스플레이는 가상/증강현실 콘텐츠를 감각적으로 경험할(Immersive Experience) 수 있도록 제공하는 표시장치이다. AR/VR을 위해서는 양안에 각각 초고화질영상을 제공할 수 있는 마이크로 디스플레이가 필요하며, 전기적으로 초점거리를 변경하도록 하는 광학렌즈도 필요하다.

사용자가 몰입감을 갖고 편안하게 AR/VR을 이용하기 위해서는 양안시차, 적정 시야각, 해상도, 재생빈도 등 물리적인 요인을 충족시킬 수 있는 기술이 더욱 개발되어야 한다.

적정 시야각은 좌우 120º, 상하 135º 정도가 확보되어야 하지만 현재 개발된 VR HMD의 시야각은 90º~120º, AR HMD는 14.7º~90º 수준 정도에 불과하다. 해상도의 현재수준은 HD(720p) 및 FHD(1,080p) 정도이나, 4K 이상 고해상도 구현이 필수적으로 요구된다. 최적의 재생빈도에 대해서 인텔은 120Hz 수준을 제시하고 있으나, 현재 수준은 LCD의 경우 65Hz, OLED는 86Hz 수준 정도이다[13].

AR/VR 디스플레이는 LCD 기반 디스플레이, 마이크로LED 기반 디스플레이, OLED 기반 디스플레이가 개발되고 있다. 현재는 화소 구조가 간단하여 고해상도 구현에 유리한 LCD 기반 디스플레이가 많은 비중을 차지하고 있으나 향후에는 플렉서블 구현이 용이한 OLED 기반 디스플레이가 유망할 것으로 전망된다[14].

LCD 기반 AR/VR 디스플레이는 BOE, Japan 디스플레이, 삼성 디스플레이 등의 업체에서 개발하고 있으며, 글라스 기반 공정과 CMOS 기반 공정으로 디스플레이가 개발되고 있다.

글라스 기반 공정으로 제작된 액정 디스플레이는 2인치 이상의 제품까지 확장할 수 있지만, Back-Plane 공정의 한계와 열악한 TFT 특성 극복이 필요하다. CMOS 기반 공정으로 제작된 액정 디스플레이는 하나의 화소로 3색 표현이 가능하여 보다 고해상도를 표시할 수 있는 반면, 상대적으로 작은 화면 크기 때문에 몰입감이 감소할 수 있어 이에 대한 해결이 필요하다.

마이크로LED 기반 AR/VR 디스플레이는 저전력 구동과 다양한 형태(플렉서블)로 제작하는 것이 가능하다는 장점을 갖고 있으며, 현재 많은 연구가 진행 중에 있다. 2015년 10월 대만의 ITRI에서 440ppi 마이크로LED 디스플레이를 발표하였으며, 2017년 6월 VueReal에서 6,000ppi 마이크로LED 디스플레이를 공개하였다. 마이크로LED는 전기적 및 광학적 특성 균일도 확보, 적색 발광효율 개선, 전사기술 확보 등의 기술 개발 이슈가 존재한다.

OLED 기반 AR/VR 디스플레이는 빠른 응답속도, 완벽한 블랙 구현, 경량 및 박형 제작 가능 등의 장점으로 AR/VR용 디스플레이에 가장 적합한 것으로 인정되고 있다. 삼성디스플레이는 2018년 SID에서 1,200ppi 2.43인치 OLED를 시연하였으며, LG디스플레이는 구글과의 파트너십을 통해 프로토타입 수준의 VR용 OLED 디스플레이를 개발하였다. 이는 4.3인치 크기에 3,840×4,800, 1,443ppi의 해상도를 지원하는 현존하는 최고 수준으로, HTC의 VR 헤드셋 바이브(448ppi)보다 거의 3배나 높은 수준이다. 한편, 미국의 Kopin과 eMagin은 각각 2K×2K 해상도의 마이크로 OLED를 발표하였으며, 우리나라의 ETRI는 백색 OLED를 적용한 AR/VR용 디스플레이 개발을 진행 중이다.

AR/VR 디스플레이 시장규모는 2018년에 21억 달러 규모에서 2023년에는 110억 달러로 성장할 것으로 전망된다. AR 디스플레이는 2018년에 4억 달러에서 연평균 70.2%씩 성장하여 2023년에는 58억 달러에 이를 것으로 예상한다. VR 디스플레이는 2018년에 17억 달러에서 연평균 24.4%씩 성장하여 2023년에는 51억 달러에 이를 것으로 전망한다[15].

홀로그래피는 두 개의 레이저 광이 서로 만나서 일으키는 빛의 간섭 현상을 이용하여 입체 정보를 기록하고 재생하는 기술을 말하며, 홀로그램은 홀로그래피로 촬영된 결과물을 말한다[16].

홀로그래피의 원리는 물체광과 참조광의 두 가지 레이저 광의 간섭무늬를 필름에 기록하여 홀로그램을 획득하고, 재생 시 기록된 홀로그램에 참조광을 비추면 공간상에 물체가 복원된다.

홀로그램은 피사체의 모든 정보를 기록하여 보는 각도에 따라서 다른 모습을 보여주는 궁극의 3D 영상으로, 이용자들이 실제 공간에서 자연스러운 입체영상을 즐길 수 있다. 산업 측면에서 홀로그램은 게임을 비롯하여 의료, 문화, 엔터테인먼트 등 다양한 분야에 활용이 가능하다.

디지털 홀로그래피는 전자기기 및 광전자기기를 이용하여 홀로그래피를 구현하고, 수집된 홀로그램 패턴을 디지털 데이터 형태로 재현하는 것으로, 디지털 홀로그램 정보의 획득-전송 및 저장-복원의 과정이 필요하다.

홀로그램 획득은 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등의 광전자기기를 통하여 획득하거나 컴퓨터상에서 순수한 계산을 통해 홀로그램을 생성한다.

전송 및 저장은 복원 장치로 홀로그램 정보를 보내는 과정으로 피사체의 모든 정보를 전송 및 저장하여야 하기 때문에 거대한 용량의 정보를 처리하기 위한 고도의 압축 기술, 파일 포맷팅 기술, 고속 전송 장비 등이 필요하다.

홀로그램 복원은 공간광변조기(SLM: Spatial Light Modulator)가 주로 사용되는데, 공간광변조기는 컴퓨터에 디지털 형태로 저장된 홀로그램 데이터를 광주사에 의해 3차원 영상으로 복원 및 재생하는 장치이다. 현재 공간광변조기는 DMD(Digital Micro-Mirror Device)와 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 디스플레이가 상용화되고 있다.

DMD는 빠른 속도로 진폭 변조가 가능하고 이미지의 크기를 늘리거나 시야각을 넓힐 수 있는 장점이 있으나, 안정적인 고전압이 필요하고, 픽셀피치를 줄이는 데는 한계가 있다. LCoS 디스플레이는 진폭 변조와 위상 변조가 모두 가능하고 많이 사용되고 있다[17].

전 세계적으로 디지털 홀로그래피의 기술 수준은 연구 초기단계에 있으며, 현재의 홀로그램 기술 수준은 손톱만한 크기의 영상을 공간상에서 한 점에서 볼 수 있는 정도이다.

MIT에서는 Holo video 서비스를 개발한 바가 있으며, 일본 동경농공대의 Takaki 교수는 DMD와 두 개의 실린더 렌즈를 이용한 시간 다중화 방식의 홀로그래픽 디스플레이를 개발하였다. 일본 NICT에서는 LCoS 소자를 사용한 Full color 디스플레이를 개발하여 시연하였으며, 유럽 Bilkent 대학에서는 Real 3D 프로젝트를 주도하여 여러 면에서 볼 수 있는 홀로그램 영상을 전송하기 위한 기술을 개발하였다[18].

한편, 홀로그래피는 광시야각 고화질 홀로그램 입체영상이 가능하도록 해상도, 시야각, 변조방식 등을 획기적으로 향상시킬 수 있는 광변조 기술이 필요하다. 특히 홀로그램 영상을 복원하는 공간광변조기는 방대한 양의 홀로그래피 영상 정보를 처리하기 위한 컴퓨터 연산속도와 처리 시간이 필요하지만, 대역폭(bandwidth)의 제한으로 인해 완전한 홀로그래피 영상을 위한 정보량 처리가 쉽지 않은 상황이다. 넓은 시야각과 대화면의 홀로그래픽 3차원 영상을 구현하기 위해서는 아직 기술적 한계가 있으므로, 단기적으로 1μm의 픽셀피치를 가지고 있는 5인치 크기의 공간광변조기가 우선적으로 개발되고 있다.

Cambridge 대학은 픽셀피치가 0.4μm 정도의 공간광변조기를 개발하였으며, NHK에서는 거대자기저항 기술을 이용하여 픽셀피치 1μm급의 공간광변조기를 개발하였다. ETRI에서도 상전이 물질을 이용하여 픽셀피치 1μm급 공간광변조기를 개발하였다[17].

홀로그래피는 공연, 광고, 보안 등에서 일부 상업화가 되고 있으며, 디지털 홀로그래피 기술이 발달함에 따라 의료, 계측 에너지 등으로 응용분야가 확대될 것으로 기대하고 있다.

전자피부는 사람의 피부와 같은 기능을 갖는 초박형의 유연한 웨어러블 전자장치로 로봇, 헬스케어, 소비자 가전 등에 응용되고 있다[19].

로봇 분야에서 전자피부는 로봇이 터치를 통해 물체를 감지하고 이에 따라 반응하도록 하는 것으로, 인간이 도달하기 어려운 위험한 장소에서 로봇이 압력, 온도, 습도, 동작 감지 등과 같은 물리적 속성을 측정하여 감도 및 안전 기능을 수행할 수 있다.

헬스케어 분야에서 전자피부는 사람의 피부에 부착하여 사람의 바이탈 신호를 모니터링하고 질병이나 상태를 효과적으로 진단하는 데 활용될 수 있다.

소비가전 분야에서는 센서, 조명, 디스플레이가 소비자 가전기기에 결합되어 응용된다.

전자피부 기술은 마이크로전자, 센서, 재료, 정보통신등과 같은 다양한 기술이 융합된 융·복합 기술로 피부감각 모사 기술, 생체신호 감지 기술, 웨어러블 기술 등이 복합적으로 요구된다[20].

피부감각 모사 기술은 통각, 압각, 촉각과 같은 기계적 자극과 냉각, 온각과 같은 온도 자극을 받아들이는 인간 피부의 감각 수용을 모사하는 센서 제작 기술이다. 기계적 자극 감지를 위한 가장 보편적인 센서는 수직 압력을 측정하는 센서로 압전 저항식, 정전 용량식, 압전 소자, 마찰전기 방식 등이 사용되고 있다. 온도 자극 감지를 위한 센서는 일반적으로 열이 가해짐에 따라 저항이 증가하거나 감소하는 물질을 이용하는 방식의 센서가 많이 이용되며, 이 외에도 온도 민감성 트랜지스터를 이용하거나 온도 차이를 전압으로 검출하는 열전 소자를 이용하는 방법 등 다양한 연구가 진행되고 있다.

생체신호 감지 기술은 심전도, 혈압, 동맥 산화도, 땀 성분 등 신체의 다양한 중요 생체신호를 감지하는 기술이다. 심전도 측정을 위해서는 ECG(Electrocardiogram) 측정 기술이 주로 사용되며, 밴드 또는 패치 형태로 적절히 디자인된 두 개의 전극으로 ECG 신호를 측정한다. 동맥 산화도(Pulse Oxygenation)는 LED를 특정 영역(손가락, 귓불, 이마, 손목 등)의 혈관에 비춘 후 혈류로부터 나오는 반사파, 투과파를 이용하여 측정한다. 땀 성분 측정은 기본적으로 땀에 포함되어 있는 포도당, 젖산, Na⁺, K⁺ 이온의 농도를 분석하는 방법을 이용한다.

웨어러블 기술은 인체피부의 유연함과 편안한 착용감을 느끼면서 전자시스템이 동작하도록 하는 기술이다. 플렉서블 회로 기술은 2000년대 초반부터 플렉서블 박막 트랜지스터 어레이, 유연성 기판을 이용한 기술이 개발되고 있으며, 전자피부의 복잡한 데이터 처리 및 전송 회로를 피부 위에 부착하는 데 매우 적합하다. 부드러움과 신축성을 제공하여 사용자에게 편안한 착용감을 주기 위한 스트레쳐블 전자피부 기술은 말굽 모양의 실리콘 또는 금속 나노리본(Nanoribbon)을 이용하는 방법과 단단한 아일랜드(Rigid Island) 구조를 만들어 변형에 민감한 소자를 보호하고, 스트레쳐블 전극을 이용해 소자들을 연결하는 방식이 연구되고 있다. 또한 피부로는 감지할 수 없을 정도의 착용감을 위해서 두께를 1μm 이하 수준으로 줄인 전자회로 연구도 진행되고 있다.

전자피부 기술은 미국의 UIUC Rogers 그룹, 일본 동경대의 Someya 그룹, Stanford 대학의 Bao 그룹이 연구를 선도하고 있다.

전자피부 시장은 헬스케어를 위한 정기 건강 모니터링 시스템에 대한 수요 증가, 웨어러블 기기에 대한 급속한 지출 증대, 로봇 기술에 대한 투자 증가 등으로 급속히 성장할 것으로 전망되고 있다. 시장규모는 2020년 4.6억 달러에서 연평균 38.7% 성장하여 2025년에는 17.2억 달러에 이를 것으로 전망된다[21].

전자피부는 현재 의료 분야에서는 일부 피부 패치가 상용화되었지만, 효능 및 안전성은 아직 입증되지 못한 상태이다. 또한 로봇 분야에서 전자피부는 여전히 프로토타입 개발 수준에 머무르고 있다.