AR.VR용 Display mode 연구

가상현실 (Virtual Reality, VR)은 가상의 환경을 구축하여 실제처럼 느끼게 하는 기술이며, 증강현실 (Augmented Reality, AR)은 실제 주변 환경에 가상의 정보를 투영하여 표현하는 기술이다. 가상현실 (VR) 및 증강현실 (AR)은 현실-가상 연속성 (Reality-Virtuality Continuum)상의 개념에서 출발하며, 현실과 가상의 정보를 동시에 융합하여 환경을 구축하는 혼합현실 (Mixed Reality, MR), 증강가상 (AV)로 발전하고 있다.

Figure 1. Milgram’s Reality-Vrituality Continuum

Figure 2. AR/VR

 VR∙AR은 현실과 가상세계를 융합하여 실시간 상호작용을 가능하게 함으로써 시공간의 제약을 파괴하며 현실적 경험을 제공하는 기술로써, 그래픽 처리 반도체, 디스플레이, 센서 등 핵심부품의 성능과 가격이 지속적으로 개선되고 있고, 오감자극 등 체험영역이 확대∙대중화하면서 향후 스마트폰에 버금가는 경제∙사회∙문화 전반의 파급효과가 예상된다. 또한 제조∙유통∙교육∙의료 등 산업전반에서 ‘초연결’, ‘초지능’, ‘초실감’의 구현수단으로서 4차 산업혁명의 촉진제로서의 역할이 부각되고 있다.

Figure 3. 4차 산업혁명과 가상∙증강현실

Figure 4. 산업 활성화를 위한 VR∙AR 육성전략

 기존 디스플레이는 주로 TV, 모니터, 휴대폰 등 대기업 세트 산업 위주로 성장하여 왔으나, 미래에는 새로운 기능으로 새로운 응용분야 예를 들면 VR 디스플레이와 같은 다양한 응용분야로 변화하고 있다. AR∙VR 디스플레이의 응용 분야는 차량용, 의료용, 디지털 사이니지, 웨어러블 등으로 다양해지고 있으며, 터치 기능과 다양한 센서를 탑재한 다양한 기능이 부가된 제품으로 시장을 확대할 것으로 전망되고 있다. AR∙VR 디스플레이는 고해상도의 모바일 디스플레이와 마이크로 디스플레이 기술을 응용하고 있으며, 광학기술, 소프트웨어 기술과 융합하여 향후 게임, 교육, 의료 등에서 산업 영역을 구축할 것으로 예상된다.

 AR∙VR에 사용되는 디스플레이는 HMD, 대형 및 소형 디스플레이, HUD 등 다양하며 이를 위한 디스플레이 패널도 LCoS (Liquid Crystal on Silicon), 대형 및 소형 패널 등 다양하다. 가상현실에서 많이 사용되고 있는 디스플레이 패널은 LCoS, 프로젝션 등이 있으며, 응답 반응속도가 빠른 OLEDoS (Organic Light Emitting Diode on Silicon)은 현재 개발중이다.

Figure  5. AR∙VR에 사용되는 디스플레이의 종류에 따른 특징

 AR∙VR용 액정 기반 디스플레이: 액정을 기반으로 한 마이크로 디스플레이는 화소 구조가 비교적 간단하여 고해상도 구현에 매우 유리하다. 이러한 장점을 부각하여 BOE (2016년 2월, 1,600ppi), Japan Display (2017년 2월, 651ppi), Samsung Display (2017년 5월, 2,250ppi) 등의 업체에서 VR 용 고해상도 액정 디스플레이 개발 결과를 발표하였다. 이러한 제품들은 glass 기판 기반의 공정으로 제작되어, 2인치 이상의 제품까지 확장할 수 있는 장점이 있지만 AR∙VR 기기에 본격적으로 사용될 수 있을 정도의 고해상도를 구현하기 위해서는 back-plane 공정의 한계와 TFT의 성능 특성이 개선되어야 한다. LCoS는 이를 위하여 개발된 디스플레이이다. LCoS는 실리콘 웨이퍼에 소자를 반도체와 유사한 공정으로 형성하고 그 위에 디스플레이 화소를 형성하고 액정 공정을 제작하는 것으로 현제 4,000ppi급 디스플레이가 개발되어 있다. LCoS를 AR∙VR 기기에 적용하기 위해서는 더 높은 해상도의 기판 기술 및 빠른 응답속도 구현이 필수적이다. 

Figure 6. LCoS 소자의 단면도

Figure 7. LCoS 패널 형성을 위한 조립공정을 진행한 패널 단면도

 AR∙VR용 OLED 기반 디스플레이: OLED는 빠른 응답속도와 완벽한 black 구현이 가능하여 차세대 AR∙VR용 디스플레이로 각광받고 있다. 또한 OLED는 별도의 광원이 필요하지 않아서 경량/박형으로 제작이 가능다는 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로 OLED 기반 마이크로 디스플레이는 Kopin사와 eMagin사에서는 각각 2K X 2K의 해상도 (2017년, 2,000ppi)를 갖는 마이크로 디스플레이 개발 연구 결과를 발표하였다. OLED 기반의 마이크로 디스플레이 개발에 있어 가장 큰 기술적 이슈는 광효율과 color 구현이다. 별도의 광원을 사용하지 않기 때문에 높은 광효율/휘도 특성이 요구되며, 각 서브 픽셀에 다른 OLED 재료를 증착하여 color를 구현하면 해상도에 문제가 생기기 때문에 이를 위한 연구 개발이 필요한 상황이다.

Figure 8. OLED 패널의 단면 구조도

 DDLAB에서는 AR/VR 기기를 위한 디스플레이 개발을 진행중이며, 액정 기반의 디스플레이를 위해서는 빠른 응답속도 및 높은 광효율 특성을 가지는 액정 모드, 재료, 공정을 연구하고 있으며, OLED 기반의 디스플레이를 위해서는 높은 광효율 및 휘도 특성을 확보하기 위한 연구를 진행하고 있다.