“메타버스 경쟁력의 핵심…‘마이크로 디스플레이 소자’”

[애플경제 이보영 기자] 메타버스(Metaverse) 기술은 ICT기술의 총아로 자리잡고 있다. 그런 가운데 그 기술적 효율을 극대화할 수 있는 마이크로 디스플레이 소자가 메타버스 산업의 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소로 주목받고 있다. 이는 가상, 증강 그리고 혼합현실과 관련된 기술의 품질을 결정하는 결정적 변수로 평가되고 있다. 즉, 고품질의 메타버스 영상을 구현할 수 있는 디스플레이 소자의 개발과 이를 위한 광 계측기술 차별화를 위해 주요국들은 치열한 경쟁을 벌이고 있다.

가상현실이나 증강현실 기술과 관련된 마이크로 디스플레이 소자 기술은 가트너가 2018년 작성한 전략 기술 보고서에서도 핵심 미래 기술로 주목을 받고 있다. 세계 주요국들은 가상 및 증강현실 구현을 위한 마이크로 디스플레이 소자 관련 연구에 몰두하고 있다. 이는 각국별 특허 출원 현황을 보면 짐작할 수 있다. 현재 국가별 마이크로 디스플레이 소자 특허 비중에선 중국과 미국, 한국이 1~3위를 점하고 있다.

그 뒤를 이어 유럽과 대만, 일본 순으로 이어진다. 그 중 중국 출원건수가 50%의 가장 높은 비중을 차지하고 있으며, 미국이 27%의 비중으로 그 뒤를 잇고 있다. 대만의 경우에 출원 건수의 비중은 일본보다 높은 편이다. 이런 상황에서 앞으로 마이크로 디스플레이 장치 기술에 대한 중국과 미국의 지식재산권 보호 노력이 강화될 전망이다. 우리나라도 마찬가지이며, 특허권 확보를 위한 노력에 더욱 박차를 가해야 한다는 주문이다.

사용자가 직접 또는 간접으로 메타버스 서비스를 체험하기 위해서는 디스플레이 장치를 통해 육안으로 가상, 증강, 혼합현실의 정보를 접해야 한다. 이때 디스플레이 장치는 메타버스 서비스 중에서 가장 기본적인 단위 소자의 역할을 한다. 즉, 실제 사물을 보는 듯한 사실감을 구현할 수 있도록 하는 것이 디스플레이 소자 기술이다.

임용준 한국전자통신연구원 책임연구원은 이에 관한 소논문을 통해 그 기술적 원리를 설명하고 있어 눈길을 끈다. 그에 따르면 메타버스 구현을 위해선 마이크로 디스플레이 소자와 광경로 분배기, 또는 반투과형 거울, 그리고 렌즈와 같은 광학 소자가 필요하다. 마이크로 디스플레이 소자에 표시되는 정보를 관찰자의 눈(동공)에 표시하게 되는데, 이때 관찰자는 광학계의 설계에 따라서 비로소 가상 영상면의 정보를 인식하게 되는 것이다.

이런 경우 “관찰자가 가상 영상만을 보게 되는 구조가 되면 ‘가상현실’, 현실에 나타난 정보와 적절하게 섞어서 보게 될 때는 ‘증강현실’ 또는 ‘혼합현실’로 인식하도록 설계가 되는 것”이라고 설명한 임 연구원은 “가상 영상의 사실감을 향상하기 위해서는 마이크로 디스플레이 소자의 해상도, 영상 처리 속도 및 밝기 등의 요소들이 함께 개선되어야 하고, 이를 엄밀하게 측정하기 위한 기술 개발도 수반되어야 한다.”고 설명했다. 이때 소자 해상도나 영상 처리 속도, 밝기 등을 측정하는 광계측 기술도 중요한 경쟁 포인트임을 강조했다.

임 연구원에 따르면 마이크로 디스플레이 소자에 표시되는 영상 정보를 관찰자에게 생생하고도 효과적으로 잘 전달하려면, 마이크로 디스플레이 소자와 광학계의 성능과 구조가 우수해야 한다. 이때 메타버스 사용자는 안경형이나 헬멧형의 두부 장착형(head mounted) 장비를 장착한다. 이에 “가볍고 편하게 착용 가능할 수 있는 ‘경량 박형 구조광학계’에 대한 연구가 진행 중이며, 한층 현실감 있는 정보를 제공할 수 있는 고해상도의 마이크로 디스플레이 기술이 필요하다”는 설명이다.

한편 마이크로 디스플레이 소자 기술과 함께 이를 더욱 완벽하게 구현할 수 있는 광계측 기술의 발전과 차별화도 메타버스 기술의 우위를 점할 수 있는 결정적 요소로 강조되고 있다. 최근엔 3차원 자동 광 계측 검사(AOI) 기술이 주목받고 있다. 이는 메타버스를 실감나고 생생하게 구현하기 위한 정확도를 극대화하는 기술이다. 즉, 메타버스 영상을 구현하기 위해 실제 부품의 높이나 휨 등의 정확한 굴곡을 측정한다. 금속 구조나 높은 반사율을 지닌 물체로부터 정반사되어 나오는 신호광은 흔히 휘도가 높아서 영상을 구현하는 과정에서 오차가 생긴다. 이런 측정 오차를 해결하면서 기존의 광학 측정 장비로는 어려웠던 문제를 해결하는 것이 AOI 기술이다.

임 연구원에 따르면 AOI 기술은 마이크로 디스플레이 소자 기술을 바탕으로 메타버스의 품질을 좌우하는 핵심 조건이기도 한다. 이는 최근 개발된 대면적 고해상도 계측 기술인 푸리에 타이코그래피 기술 푸리에 타이코그래피(Fourier ptychography Microscopy: FPM) 기술과, 3차원 구조를 측정할 수 있는 디지털 홀로그래피 계측이 그 핵심이다.

흔히 일반적인 광학 현미경 구조에서는, 높은 개구수를 갖는 고배율의 대물렌즈를 사용할 때 미세한 구조를 볼 수 있지만, 측정 영역은 기하적으로 줄어들게 된다. 반대로, 측정 영역을 넓히기 위해서는 확대 배율을 낮춰야 하고 이로 인해서 해상도가 저하되는 문제가 발생한다. 푸리에 타이코그래피 현미경 기술은 기존의 이같은 기존 광학 현미경이 갖는 한계를 극복하고 고해상도를 실현하는 기술이다.

디지털 홀로그래피 계측 기술은 디지털 홀로그램 영상을 물리적으로 획득하고, 빛의 회절 이론을 적용하는 알고리즘 연산을 수행하여 측정 과정에서 발생할 수 있는 왜곡현상을 보상한다. 또한 측정 대상인 피사체의 3차원 형상을 복원하는 일련의 과정을 기존의 광계측 기반의 검사 기술에 적용하는 것이다. 이는 고도의 연산 처리력을 바탕으로 한 하드웨어 기술을 기반으로, 영상 처리 알고리즘과 최근의 딥러닝 기술 개발과 접목한 것으로 다양한 산업에 적용될 것으로 예상된다.