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XR 기기 부품 생태계 톺아보기
인트로: XR 기기 시장의 개화
애플 비전 프로를 착용하고 있는 남성 모델 [출처: 애플]
가상현실(VR)과 증강현실(AR)을 모두 아우르는 확장현실(XR) 디바이스는 최근 애플의 MR 헤드셋 비전 프로의 출시와 함께 힘입어, 차원이 다른 디지털 경험을 통해 소비자들의 마음을 사로잡고 있습니다.
이에 방증하듯 2022년 기준으로 단 920만 대에 불과했던 글로벌 XR 기기 시장은 2027년까지 7,500만 대, 연평균 약 52%의 급격한 성장을 보일 것으로 전망됩니다. 뿐만 아니라 연구기관 유비리서치의 ‘XR 산업 메가 트렌드 분석’ 보고서에 따르면, MR 기기는 기존의 TV, 모니터, 노트북 등 스크린 디바이스를, AR 기기는 스마트폰, 스마트워치, 태블릿 PC 등 모바일 디바이스를 대체할 것으로 보인다고 하는데요.
이는 XR 기기가 단순한 기술의 진보를 넘어, 사회와 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 변화를 가져올 핵심 동력임을 의미합니다.
이번 아티클에서는 미래 컴퓨팅 인터페이스에 혁신을 불러올 XR 기기의 내부 부품 생태계에 대해 파헤쳐 보고자 합니다. XR 기기의 폭발적인 잠재력을 실현하기 위해서는 디바이스를 구성하는 디스플레이 제조업체부터 각종 소재 및 부품 공급업체까지, 기기를 둘러싼 다양한 이해관계자 및 기업들의 협력이 필수적입니다. XR 디바이스의 구성과 동작 원리, 콘텐츠를 포함한 모든 방향에 대한 깊은 이해도는 물론, 공급망 현황과 사업 방향성 모두 신중하게 고려해야 하는데요.
이번 기회에 XREAL 구독자분들도 복잡하고 멀게만 느껴졌던 확장현실 기기 내부 세계를 탐험하며, 머지않아 다가올 3D 컴퓨팅 인터페이스에 대한 기초 체력을 길러보는 것은 어떨까요? 독자분들께서 쉽게 이해하실 수 있도록, 500g에 달하는 디바이스를 1) 옵틱스(Optics), 2) 디스플레이(Display), 그리고 3) 트래킹(Tracking)용 센서의 3가지 분야로 분할하여 작성해보았습니다.
그럼 지금, XR 기기의 안으로 떠나볼까요?
1. XR 기기의 눈, “옵틱스(Optics)”
사람들은 시력이 떨어져서 눈이 침침하면 안경을 쓰거나 콘택트 렌즈를 착용하는 등 시력을 보정합니다.
이렇듯 XR 환경에서도 “3D 콘텐츠를 뚜렷하게 볼 수 있는가”가 중요한 요소로 작용하는데요. 확장현실 기기의 눈이자 시력으로 비유되는 옵틱스(Optics), 즉 광학 부품은 반거울 기술부터, 광도파관(Wave Guide) 기술, 그리고 최근 핀 미러(Pin Mirror)까지 빠른 속도로 발전 중에 있습니다:
핀 미러 기술 도안 [출처: LetinAR]
반거울 방식
초기 AR(증강현실) 기기에서 사용된 반거울 방식은, 현실 세계의 빛을 투과시키면서 동시에 디스플레이 화면의 빛을 반사하여 현실과 디지털 화면이 겹쳐 보이게 하는 기술입니다. 이 방식은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 구조로, 제작이 간단하고, 영상 품질이 유지되며 현실 세계의 왜곡이 적다는 장점을 가집니다. 그러나, 가상 화면의 시야각을 넓히기 위해서는 반거울의 크기가 커져야 하며, 이는 무게와 두께, 휴대성 및 디자인 측면에서 제한적인 요소로 작용하기도 합니다.
광도파관(Waveguide)
Waveguide형 광학 모듈은 작은 모듈로 넓은 화각을 구현할 수 있는 기술로, 많은 테크 기업들의 러브콜을 받고 있습니다. Microsoft가 2015년부터 출시해온 Stand-alone형 AR 기기 홀로렌즈는, 해당 광도파관 기술을 활용하여 넓은 Eye Box와 Eye Relief로 사용자 편의성을 높인 실제 활용 사례입니다. 삼성전자 역시 DigiLens로 불리는 Waveguide 관련 기술을 약 1억 달러에 달하는 지분/공동 투자를 통해 확보 중에 있다고 하는데요, XR 기기 시장 내 경쟁력을 강화하겠다는 전략으로 보입니다. Waveguide 기술의 일환인 회절 방식은 빛의 회절과 간섭을 이용해 특정 파장대의 디스플레이 빛을 현실 세계와 함께 사용자의 눈에 보이게 하며, 이를 통해 얇고 가벼운 AR 안경 제작이 가능해지지만, 색상 분리, 화질 저하, 나노 기술 사용으로 인한 높은 제작 비용 및 대량 생산의 어려움이라는 단점도 존재한다고 합니다.
핀 미러(Pin Mirror)
국내 증강현실 기업 LetinAR이 자체 개발한 '핀 미러(Pin Mirror)' 기술은 핀홀 효과의 원리를 적용해 뛰어난 영상 품질과 작은 형상 요인을 제공합니다. 이 기술은 사람의 망막 앞에 배치된 핀홀을 통해 디스플레이의 빛을 사용자의 눈으로 직접 전달하며, 초점 불일치 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 것으로 알려져 있는데요. 광학 렌즈를 통해 최대 200인치(508cm) 화면과 최대 120도의 양안 시야각을 경험할 수 있습니다. 최근에는 XR 옵틱스 분야에서 이 기술을 더 고도화하여 현실과 가상 이미지를 더욱 정교하고 효율적으로 결합할 수 있는 가능성을 탐구하고 있습니다. 이를 통해 빛을 더 정밀하게 제어하여 사용자에게 향상된 몰입감과 선명한 이미지를 제공할 목표로 하고, XR 기술 발전의 최신 경향을 반영하는 것으로 보입니다.
2. XR 기기의 전광판, “디스플레이(Display)”
XR 기기에서는 사용자의 눈과 디스플레이 사이 거리가 매우 가까워, 화질을 유지하기 위해 고화소의 필요성이 대두됩니다. 화소 수가 부족할 경우, 화소 간 경계가 눈에 띄어 몰입감이 감소하기 때문입니다. 이러한 문제를 해결하고 XR 기기의 몰입감을 극대화하기 위해선, 마이크로디스플레이 기술의 발전이 필수적입니다. 현재로서는 해상도, 휘도, 시야각, 양산성을 모두 만족시키는 이상적인 마이크로디스플레이 기술이 존재하지 않으나, 최근엔 기술적 우위를 점하는 OLEDoS 마이크로디스플레이와 생산성 측면에서 이상적인 MicroLED 기술에 대한 개발이 가속화되고 있다고 합니다:
OLEDoS 마이크로디스플레이의 구조 [출처: 키움증권 리서치센터 (Sony, eMagin 자료 제공)]
OLEDoS
OLEDoS(Organic Light Emitting Diode on Silicon)은 실리콘 웨이퍼 위에 유기발광다이오드(OLED)를 적용한 마이크로 OLED 디스플레이 기술입니다. 이 기술은 컬러 필터가 불필요하며, 디스플레이를 더욱 얇고 가볍게 만들면서 전력 효율을 높일 수 있는 주요 장점을 가집니다. OLEDoS 기술은 동일 크기의 전통적인 OLED 대비 화소 수가 약 8배 많아, 차세대 XR 기기에 필요한 고해상도와 고밀도 픽셀을 제공하여 더욱 선명하고 생생한 이미지를 구현할 수 있습니다. 이는 XR 경험의 몰입감을 극대화하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
또한, OLEDoS 제조 과정에서 중요한 역할을 하는 파인메탈마스크(Fine Metal Mask, FMM) 기술은 OLED 패널의 핵심 부품 중 하나입니다. FMM은 금속판에 미세한 구멍을 뚫어 이를 통해 OLED 물질을 증착하는 방식으로, 고해상도 디스플레이 생산에 필수적입니다. 이 고도의 정밀 기술을 통해 각 화소에 정확한 양의 유기물을 전달함으로써, 높은 픽셀 밀도를 가진 디스플레이를 구현할 수 있습니다.
OLEDoS 기술은 이러한 고성능 특성 덕분에 차세대 XR 기기의 핵심 부품으로 꼽히며, 고해상도, 높은 휘도, 광범위한 시야각 등을 필요로 하는 어플리케이션에서 그 가치가 더욱 부각되고 있습니다.
MicroLED
MicroLED 기술은 뛰어난 휘도, 우수한 전력 대 성능 비율, 그리고 빠른 응답 속도로 XR 기기에 최적화된 디스플레이 솔루션으로 각광받고 있습니다. 특히 무기물로 구성되어 긴 수명, 낮은 발열, 그리고 배터리 효율성 측면에서 뛰어나다는 점이 대두됩니다. XR 기기에서는 빠른 응답 속도가 중요한데, LCD의 수천 분의 1초(millisec), OLED의 수백만 분의 1초(microsec)에 비해 MicroLED는 수십억 분의 1초(nanosec)로 훨씬 더 빠른 응답 시간을 제공합니다. 이는 색 변환 지연을 최소화하여 사용자가 어지럼증이나 불편함을 느끼지 않도록 해 XR 기기의 몰입감을 극대화합니다.
그러나 MicroLED의 대중화에는 아직 장애물이 존재합니다. 수백만 개의 미세 LED 소자를 정확히 기판 위에 배치하는 복잡한 공정으로 인해 대량 생산이 어렵고, 이로 인한 원가 상승은 소비자 가격에 영향을 미칩니다. MicroLED가 탑재된 XR 디바이스의 보급을 위해서는 최소 5년 이상의 개발 기간을 거쳐 생산 공정을 개선해야 할 것으로 전망됩니다.
3. 사용자를 추적하는 “트래킹(Tracking)용 센서”
3D 센싱 모듈은 XR 기기에 광원을 발사해 그 반사 시간이나 변화를 측정함으로써 입체감을 파악하는 핵심 부품입니다. XR 기기 한 대에 약 3개 정도 탑재되는 이 3D 센싱 모듈은, 그동안 스마트폰 수요 포화로 실적이 부진하던 모듈 업체들을 재조명하고 있습니다. XR 기기의 주변 환경 인식을 위해, VR은 사용자 움직임 추적에, AR은 현실 세계에 가상 이미지를 정확히 오버레이하기 위해 3D 센싱 모듈이 중요하며, 사물의 위치를 정확하게 파악하는데에도 중추적인 역할을 합니다. 최근 AR/VR뿐만 아니라 운전자 동작 인식, 자동화 로봇 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 3D 센싱 기술은 크게 1) 스테레오 비전 (Stereoscopic Vision), 2) 구조광(Structured Light, SL), 그리고 3) 시간 비행(Time of Flight, ToF) 등이 있습니다:
주요 3D 센싱 기술: 스테레오 비전, 구조광 패턴, ToF [출처: ETRI 전자통신학회]
스테레오 방식 (Stereoscopic Vision)
스테레오 비전 기술은 인간의 양안 시력을 모방하여 깊이 인식을 달성합니다. 이 과정은 두 개 이상의 카메라를 사용하여 다른 시점에서 이미지를 캡처하는데요. 이러한 여러 시점을 삼각 측량함으로써, 스테레오 비전 시스템은 객체의 3D 위치를 정확하게 결정할 수 있습니다. 특히 스테레오 방식은 우리 눈이 깊이를 인식하는 방식과 유사하여, 정확한 실시간 깊이 인식을 가능하게 합니다. 특히 밝은 환경에서 효과적이며, 자율 주행 차량 및 빈 피킹 작업과 같은 다양한 응용 프로그램에 사용될 수 있습니다. 그러나 스테레오 비전은 계산량이 많을 수 있으며, 저조도 환경이나 질감이 없는 표면에서는 어려움을 겪을 수 있습니다.
구조광 방식 (Structured Light, SL)
구조광 (SL) 기술은 IR 프로젝터를 사용하여 객체에 레이저 패턴을 캐스팅하고, 이미지 센서가 이미지를 캡처합니다. SL 칩은 레이저 패턴의 왜곡을 분석하여 객체의 깊이를 계산하고, 객체의 3D 표현을 생성합니다. 이 방법은 레이저 프로젝터의 정확한 위치 설정이 필요합니다. SL은 고해상도 깊이 데이터가 필요한 응용 프로그램에 적합하며 상세한 3D 이미지를 생성할 수 있습니다.
ToF (Time of Flight) 방식
비행 시간 (ToF) 기술은 레이저 빔이 객체에서 센서로 반사되어 돌아오는 시간을 측정합니다. 이 반환 시간을 계산함으로써, ToF 시스템은 객체 표면의 다양한 지점까지의 거리를 결정할 수 있으며, 3D 표현을 생성할 수 있습니다. ToF는 대규모 영역에 걸쳐 신속하게 깊이 정보를 캡처할 수 있기 때문에 모션 캡처 및 XR 응용 프로그램의 공간 인식에 유용합니다. 그러나 정확한 측정을 위한 충분한 광 출력을 확보하기 어렵다는 점이 단점으로 알려져 있습니다.
글을 마무리하며
<Where Good Ideas Come From: The Natural History of Innovation>의 저자 Steven Johnson이 제시한 10/10 규칙에 따르면, 과거 혁신 산업들(라디오, 휴대전화, PC, 인터넷, GPS 네비게이션 장치 등)은 대개 10년 동안 기술을 개발하고 구축한 뒤, 다음 10년 동안 대중에게 확산되는 패턴을 따랐다고 합니다. 이 과정에서 기술의 개발뿐만 아니라, 관련 SW/HW 제작, 인프라 & 유통망 구축, 대중화 및 인식 증진까지 상당한 시간과 노력이 필요한데요,
XR 기기의 보급으로 꽃필 확장현실 시장이 10/10 규칙을 뛰어넘어 더욱 신속하게 경쟁력을 확보하기 위해서는, 디바이스 부품 생태계 내 다양한 기업 및 산업 간의 정보 교류와 협력이 매우 중요할 것입니다. 이를 통해 XR 개발의 속도를 가속화하고, 시장 도입 및 대중적 확산을 앞당기는 핵심 전략으로 작용할 수 있기 때문이죠.
여러분은 확장현실 시장의 전망과 XR 기기 대중화에 대해 어떻게 생각하시나요?
하루빨리 3D 인터페이스가 뉴노멀이 되는 새로운 컴퓨팅 시대가 오길 손꼽아 기다리는 저의 입장에서는, XR 기기의 부품 성능 발전이 사람들에게 선사할 몰입감이 너무나 기대가 되네요.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
작성자: XREAL 조민주
[참고 문헌]
