증강현실(AR)을 현실로
Coherent는 AR 디스플레이의 몇 가지 핵심 부품을 생산하고 있으며 이 기술의 발전을 위해 적극 노력하고 있습니다.
2023년 5월 23일. 작성자: Coherent
가상현실(VR)과 증강현실(AR)은 최근 몇 년 동안 언론으로부터 많은 관심을 받았습니다. VR과 AR은 게임, 헬스케어, 교육, 엔지니어링, 건축, 실내 디자인, 여행, 방위산업 그리고 심지어 제품 마케팅 등 다양한 분야에 혜택을 줄 것으로 기대되고 있습니다. 하지만 현재 VR/AR은 아직 대부분 사람들의 삶에 큰 영향을 미치지 못하고 있습니다.
그 이유 중 주된 두 가지는 VR/AR 헤드셋의 품질과 비용입니다. 구체적으로 살펴보면 품질에는 이미지 밝기, 해상도, 시야, 그리고 속도와 전력 소비 등의 전기적 특성과 같은 요소들이 있습니다. 여기에 헤드셋 크기, 무게, 배터리 수명 같은 현실적인 부분도 중요합니다. 그리고 비용이란 대부분의 소비자가 접근할 수 있도록 헤드셋 가격을 충분히 낮추는 것을 의미합니다.
AR의 과제
이러한 모든 영역에서 개선을 이끌어내기 위해서는 극복해야 할 기술적인 문제가 많이 있습니다. 그리고 일반적으로 VR 헤드셋보다 AR 부문의 과제가 더 큽니다. 그 이유를 이해하기 위해 먼저 이들 용어의 구체적인 의미를 살펴보도록 하겠습니다. 정의를 표로 요약해봤습니다.
헤드셋 유형 |
기능 |
헤드셋 특성 |
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사용자의 눈을 완전히 가리고 시뮬레이션된 영상을 제공하는 완전 몰입형 디스플레이. 실제 주변 환경이 전혀 보이지 않습니다. |
디스플레이는 일반적으로 LCD 또는 OLED 기술을 기반으로 합니다. 디스플레이가 사용자의 눈 바로 앞에 있으며 렌즈를 통해 볼 수 있습니다. 사용자가 어두운 곳에서 디스플레이를 보기 때문에 디스플레이 밝기 요구 사항이 다소 완화됩니다. |
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사용자의 눈을 완전히 가리되, 실제 주변 환경의 라이브 영상 피드도 통합해주는 완전 몰입형 디스플레이. 사용자가 가상의 요소와 실제 요소가 결합된 모습을 보게 됩니다. |
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사용자가 주위 환경의 모습을 직접 볼 수 있는 반투명 디스플레이. 컴퓨터가 생성한 이미지가 실제 사물 옆에, 또는 그 위에 중첩되어 표시됩니다. |
디스플레이가 마이크로 디스플레이 또는 레이저 빔 스캐닝을 기반으로 합니다. 이것이 헤드셋 광학장치에서 사용자의 눈과 동일한 쪽에 위치합니다. 도파관이나 반투명 거울과 같은 광 결합기를 사용하여 가상 이미지와 실제 이미지를 병합합니다. 주변의 밝기 조건에 맞는 높은 디스플레이 밝기가 필요합니다. |
VR 헤드셋과 MR 헤드셋의 주된 특징은 디스플레이가 직접적으로 보인다는 것입니다. 즉, 디스플레이가 사용자의 눈 바로 앞에 위치합니다. 따라서 현미경, 쌍안경, 거리 측정기 같은 계측기에 사용되는 것과 비슷한 상대적으로 단순한 기존의 광학 장치를 사용할 수가 있습니다. 다만 VR 광학 시스템이 크기 면에서 훨씬 더 압축되어 있습니다.
반대로 AR 고글의 디스플레이는 사용자의 시야 안에 있지 않기 때문에 빛을 사용자의 눈 쪽으로 유도하는 정교한 광학 장치가 필요합니다. 가상의 물체가 현실 세계에 있는 것처럼 보이게 하기 위해 디스플레이 출력물을 주변 환경을 보는 사용자의 직접적인 시야와 혼합해야 합니다. 이것을 가능하게 해주는 광학 장치(일반적으로 빔 스플리터나 도파관)는 VR 헤드셋 렌즈보다 훨씬 더 복잡하고 정교합니다.
게다가, 컴퓨터가 생성한 이미지가 실제 현실의 모습을 기준으로 적절한 위치와 거리, 방향에 표시되어야 합니다. 이를 위해서는 헤드셋이 사용자의 머리와 몸의 움직임을 지속적으로 추적해야 하고 또, 현실 세계에 있는 사물들의 크기와 위치, 방향을 판단해야 합니다. VR 헤드셋도 머리와 몸의 움직임을 어느 정도 추적하긴 하지만 AR의 경우 이에 대한 요건이 일반적으로 더 까다롭습니다.
Coherent에서는 AR의 미래가 확실합니다
Coherent는 AR 시스템의 이 같은 문제에 대응하여 이미 포토닉스 기반의 솔루션을 적극적으로 개발하고 있습니다. 우리는 주로 AR 헤드셋의 세 가지 기능 요소 즉, 디스플레이 프로젝터(또는 광 엔진), 광 결합기 그리고 광학 센서에 역량을 집중하고 있습니다.
디스플레이 엔진
대부분의 AR 헤드셋은 MicroLED 또는 레이저 빔 스캐닝 광 엔진을 사용합니다. Coherent는 MicroLED 생산의 핵심 기술을 제공할 수 있는 기반을 갖추고 있습니다. 특히 Coherent의 장비는 레이저 Lift-off(LLO)를 통해 사파이어 웨이퍼에서 그 위에 성장한 MicroLED를 분리합니다. LLO 다음에는 레이저 유도 순방향 전사(LIFT) 과정이 뒤따르기도 하는데, 이 과정은 당사의 UVtransfer(LLO와 픽셀 수리/트리밍도 수행)를 통해 수행할 수 있습니다.
그리고 Coherent는 디스플레이 프로젝터에 사용되는 일부 소형 광학 부품의 제조에 있어서도 폭넓은 전문성을 갖추고 있습니다. 그 가운데 가장 흥미로운 것 중 하나는 콜리메이션을 위한 “메타 표면” 마이크로 렌즈 배열입니다.
메타 표면 렌즈는 나노 구조를 활용하여 입사광의 파면을 변화시킵니다. 이것은 높은 정밀도로 제작되기 때문에 MicroLED 어레이에 엄격한 허용오차를 적용하여 정렬될 수 있으며 이를 통해 각 발광기에서 나오는 빛을 시준하게 됩니다. 메타 렌즈는 평평하고 매우 얇아서 디스플레이 엔진 패키지에 매끄럽게 통합할 수 있습니다.
여기에 또 다른 이점은 메타 렌즈는 리소그래피 기술이나 그 밖의 웨이퍼 규모의 기술을 이용해 제작이 가능하다는 점입니다. 이 말은 경제적인 대량 생산이 가능하다는 뜻입니다. 그러므로 이 기술은 AR 고글의 요건에 딱 들어맞습니다.
또한, Coherent는 광 엔진을 위한 다른 광학 부품들도 제공하고 있습니다. 여기에는 레이저 빔 스캐너(LBS)용 RGB 결합기 또는 LCOS 디스플레이용 박막 필름 편광판, 그리고 여러 가지 유형의 유리에 적용하거나 거의 모든 광학 요소의 광학 스택에 통합할 수 있는 다양한 광학 코팅 부품이 있습니다.
광 결합기
디스플레이 출력물을 수집해서 주변 환경에 대한 사용자의 직접적인 시야에 중첩되어 표시되도록 방향을 잡아주는 것이 아마도 AR 헤드셋 설계에서 광자와 관련된 가장 큰 과제일 것입니다. 현재 이를 해결하기 위해 여러 집단들이 여러 가지 고도로 혁신적인 설계 개념들을 시도하고 있습니다. 이 부분에서도 Coherent는 이러한 장치들의 일부와 실제 장치 부품들을 제작하는 기술을 제공하고 있습니다.
헤드셋의 상당수는 고글 렌즈가 도파관입니다. 이것이 디스플레이(프레임에 위치)에서 나오는 빛을 사용자의 눈 쪽으로 유도합니다. 도파관에는 디스플레이 엔진 옆에 입력 커플러가 있고 렌즈 중앙에 출력 커플러가 있습니다. 이 출력 커플러는 SLG(표면 완화 격자) 또는 HOE(홀로그램 광학 요소)로 구현되어 있습니다.
HOE는 레이저를 사용하여 포토폴리머에 기록됩니다. 구체적으로 이것은 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 레이저 소스를 사용하여 수행됩니다. 다른 형태의 홀로그래피와 마찬가지로, 여기에 사용되는 레이저 소스는 단일 주파수여야 하고 간섭성 길이가 길어야 하며 작동 안정성이 높아야 하고 출력이 높은 것이 좋습니다(노출 시간을 최소화하기 위해). Coherent의 Genesis 시리즈와 Verdi 레이저는 이러한 특징을 모두 갖추고 있으므로 HOE 기록을 위한 최고의 선택입니다.
또한, Coherent는 렌즈 소재 자체를 포함하여 몇 가지 빔 결합기 부품도 만들 수 있습니다. AR 분야의 선도 기업들 중 일부는 렌즈에 유리 대신 광학 결정을 사용하는 방법을 연구하고 있습니다. 결정(크리스털) 소재는 굴절률이 2.3 이상이 될 수 있습니다. 결정을 이용하면 시야가 넓어지고, 하나의 도파관을 통해 이 세 가지 색상을 모두 전달할 수 있게 됩니다(유리를 사용할 경우에는 두 개나 세 개의 층이 필요함). 따라서 AR 고글의 무게를 줄이고 더 몰입적인 사용자 경험을 구현하는 데 도움이 됩니다.
광학 센서
Coherent는 이미 레이저 기반 심도 센서 또는 3D 센서에 사용되는 부품과 모듈의 생산 분야에서 앞서나가고 있습니다. 특히 당사의 고출력 VCSEL 소스(단일 발광기와 어레이 모두)는 인기 있는 스마트폰에 널리 사용되고 있습니다. 이러한 소스에는 비행 시간(TOF)용 어레이나 구조광 심도 감지 모듈이 있습니다. 그리고 Coherent는 VCSEL 어레이를 회절 부품이나 메타 표면 부품과 결합하여 균일한 홍수 조명이나 도트 패턴을 만들 수 있습니다. 또한, 레이저 드라이버 IC를 설계하고 생산할 수 있으며 이 모든 부품들을 초소형 모듈에 집적할 수 있습니다. Coherent의 포토닉스 전문가들은 AR용 3D 감지 분야에서는 소형 폼 팩터와 낮은 전력 소비가 핵심 지표라는 것을 알고 있습니다.
AR 헤드셋과 VR 헤드셋은 앞으로 주도적인 가전 기기와 인터넷 기기가 될 것입니다. Coherent는 AR 고글 제작에 적용할 수 있는 가장 포괄적인 포토닉스 기반 기술 포트폴리오를 보유하고 있습니다. 따라서 오직 Coherent만이 이 분야에서 특히, 광범위한 시장 성공에 필요한 초소형의 크기와 낮은 전력 소비 그리고 고성능 장치의 구현을 가능하게 해줄 생산 도구와 부품의 공급에 있어서 혁신을 뒷받침할 수 있습니다.
Coherent가 AR 부문에 무엇을 제공하는지 더 자세히 알아보십시오.
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