가상현실이 현대 산업의 핵심 기술로 자리잡다

스티븐 스필버그 감독의 작 '마이너리티 리포트'에서 배우 톰 크루즈는 허공에 범죄 관련 이미지를 띄워놓고 범죄가 일어날 시간과 장소, 범행을 저지를 사람을 예측한다. 영화 속에서 톰 크루즈가 손을 움직일 때마다 각종 정보가 나타났다 사라지기를 반복하고, 위치도 자유자재로 바뀐다. 이 영화는 미래 사회의 기술적 가능성을 상징적으로 보여준 작품으로, 특히 주인공이 가상 화면을 손으로 조작하는 장면이 많은 사람들에게 깊은 인상을 남겼다.

지난 2021년 프랑스 파리에서 열린 ‘비바테크2021’에서 마크 저커버그는 '미래에는 미디어, 예술, 스크린, TV가 물리적으로 존재할 필요가 없다.'고 말했다. 마이너리티 리포트에서 보았던 허공 위 인터페이스 인터랙션 기술과 같은 맥락이다. 메타(Meta, 전 페이스북) 최고경영자인 마크 저커버그는 가상현실(VR)이나 증강현실(AR)을 기반으로 한 구독 서비스 시장의 잠재력에 주목했으며, 관련 기술을 적극적으로 개발해왔다.

2024년 10월 메타(Meta)가 출시한 최신 VR 헤드셋 '퀘스트 3S(Quest 3S)'는 이전 모델인 ‘퀘스트 3’보다 저렴한 가격인 299달러(한화 439,000원)로 제공됐다. 공개된 퀘스트 3S의 안내 책자를 살펴보면 칩셋은 퀄컴 스냅드래곤 XR2 2세대, 램은 8GB 모델, 팬케이크 형태의 렌즈를 사용하는 등 퀘스트 3와 비슷한 스펙을 갖췄다. 배터리의 용량은 줄었지만 무선 이용 시간은 오히려 늘었다. 퀘스트 3S 는 기존 제품보다 향상된 사용자 편의성과 200달러나 저렴한 가격으로 제공된다는 점에서 더 나은 접근성을 갖추고 있다는 평가를 받고 있다.

한편, 메타는 커넥트 2024에서 퀘스트 3S 외에도 '오리온(Orion)'이라는 홀로그램 증강현실(AR) 안경, 유명 배우를 기용한 AI 음성 챗봇, 페이스북·인스타그램 내 AI 이미지 생성 서비스 '당신을 위한 상상(Imagined for you)' 등을 공개해 미래의 메타버스 플랫폼에 대한 비전을 제시했다. 

최신 VR 디스플레이 기술

가상현실(VR)은 컴퓨터가 만든 가상공간 안에서 주변을 인식하는 동적 기술과 디스플레이를 활용해 사람 오감을 자극하여 현실과 유사한 체험을 가능케 하는 기술이다. 가상현실을 만들기 위해서는 좌우 양안 시차가 있는 이미지를 광학 엔진과 디스플레이를 통해 구현해야 한다. 2~3인치 크기의 고해상도 디스플레이에서 이미지를 표현하고, 광학 엔진을 이용하여 이미지를 투사해 원거리에 100인치 이상의 가상스크린과 90도 이상의 넓은 시야각을 갖는 허상 이미지를 사용자에게 제공하는 원리이다.

최초의 VR 디스플레이 기술은 1968년 이반 서덜랜드 교수가 최초로 HMD(Head Mounted Display) 시스템을 만들면서 시작됐다. 현대의 간소한 생김새와는 달리 부피가 거대했으나 구현 원리는 오늘날의 VR 디스플레이와 큰 차이가 없다.

VR 디스플레이는 얇은 렌즈 공식으로 디스플레이를 렌즈의 초점거리보다 가까운 거리에 고정함으로써, 실제 디스플레이보다 이미지가 더 멀리 있는 것처럼 느끼게 유도함과 동시에 렌즈에 의해 왜곡된 이미지를 디스플레이에 렌더링해 안구로 투사한다. 이때 우리 뇌는 눈에 비친 가상의 이미지들을 하나로 합성하게 되면서 양안 시차에 의한 3D 입체감을 느낀다. '정립허상'이라고 불리는 이 현상이 VR 디스플레이의 핵심이다.

기존 VR 기기는 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 활용하여 가상 이미지를 구현했다. 그러나 이런 방식으로는 기기를 가볍고 얇게 만드는 것에 한계가 있다. 일반 볼록 렌즈로 개구수 (Numerical aperture, NA값)을 증가하기 위해서는 굴절률 값 , 또는 θ 값 을 증가시켜야 한다. 굴절률은 재료의 특성으로 증가 폭이 제한적이고, θ 값을 증가시키면 렌즈 두께가 늘어나 렌즈수차(구면수차) 가 발생하여 이미지 선명도를 떨어트린다. 

프레넬 렌즈는 이러한 볼록 렌즈의 단점을 개선한 렌즈로 렌즈의 두께를 얇게 만들어 렌즈수차를 낮출 수는 있지만, 이 역시 기존 볼록 렌즈를 기반으로 만들기 때문에 이미지의 선명도 및 슬림한 외관 구현에 한계가 있어 무게와 두께를 줄이기에는 마찬가지로 한계가 있다.

이러한 기존 렌즈의 한계를 뛰어넘기 위해 실용적인 반사 편광 기술을 이용한 '팬케이크 렌즈(Pancake lens)'가 개발됐다. 팬케이크 렌즈를 사용하면 HMD 기기를 획기적으로 얇게 제작할 수 있지만, 이 기술은 반투과 및 반사편광을 이용하기 때문에 렌즈의 광 효율(약 15% 내외)이 매우 낮다. 따라서 디스플레이의 휘도, 즉 밝기를 최대로 끌어올리기 위해 LCD 백라이트 기술로 휘도를 보정하기도 한다.

최근 VR 제품은 팬케이크 렌즈를 활용해 예전보다 절반 이상의 가볍고 얇은 디자인을 구현하고 고해상도 패널을 장착하여 시야각 1도에 포함되는 픽셀 수(PPD, Pixels Per Degree) 및 동적 센서 기술로 자유도를 증가시키면서 VR 디자인과 성능을 진화시키고 있다.

더 생생한 디지털 세계

햅틱 기술이란 디스플레이 등 기기와 접촉 시 사람의 촉감을 자극해 실제로 뭔가를 만지고 있다는 느낌을 전달하는 기술이다. 특히 VR 분야에서 몰입감 있는 콘텐츠 경험 향상에 있어 효과적인 수단이다.

최근에는 비대면과 VR, AR 분야가 트렌드로 꾸준히 관심을 받는 만큼 가상환경에서 사용자의 몰입감을 크게 끌어올릴 수 있는 햅틱 기술 연구가 활발하다. 게임 밑 문화 엔터테인먼트 분야뿐만 아니라 교육, 군사, 의료, 산업 등 다양한 분야의 가상훈련에도 사용되고 있다.

대표적으로 화면을 누를 때 진동으로 반응하는 등 햅틱 피드백은 현대에서 보편화된 기술이다. 햅틱 기술도 진화와 발전을 거듭했으나, 모바일 기기 등에 사용되는 햅틱 기술은 기기 자체에 동일한 진동 효과가 전달되어 부분별로 세밀한 촉감을 구현하기 어렵다는 점이 존재했다.

이런 한계를 극복하기 위해 다양한 방법이 시도됐다. 최근에는 레이저를 이용하여 순간적인 온도 변화에 따른 충격파로 진동을 만들어내는 기술이 개발되기도 했다. 미국의 스타트업 ‘헵트엑스’는 지난해 1월 미국 라스베이거스에서 개막한 세계 최대 정보기술(IT)·가전 전시회 ‘CES 2023’에서 VR용 촉감 장갑 ‘Gloves G1’을 선보였다. ‘Gloves G1’은 손가락부터 손등, 손바닥을 모두 감싸는 135개의 공기 방울을 미세하게 조절해 촉각을 자극한다. 일반적인 장갑 장비에 사용되는 촉각 포인트의 개수는 10개 남짓인 경우가 대부분이다. 다만 기기가 무겁고 약 2,400달러로 가격이 무거워 상용화가 어렵다는 단점이 있다.

삼성디스플레이 최주선 대표이사는 ‘SID 2021 기조 연설’에서 “우리는 수많은 디스플레이와 함께 일상을 살아가고 있으며, 디스플레이가 사람들을 이어주는 창문이라고 믿는다”라고 전했다. 메타버스 시대에 디스플레이 기술과 햅틱 기술이 더해진다면 좀 더 깊이 몰입할 수 있다. 

최 이사는 특히 디지털 혁명이 여러 단계를 거쳐 현재 '디지털 트랜스포메이션' 시대로 접어들었다고 강조한다. 쇼핑, 방송, 엔터테인먼트 등 우리 삶의 모든 영역이 디지털화되고 인터넷을 통해 하나로 연결되고 있다는 것이다. 최 이사는 같은 연설에서 메타버스 트렌드 속에서 VR, AR 기기뿐만 아니라 초대형 월마운트 디스플레이, 투명 디스플레이 윈도우, 미러 디스플레이 등 몰입도를 극대화하고 현실을 증강해주는 새로운 기술에 대한 요구가 점점 늘어날 것이라고 전했다.

[참고기사]

https://m.dnews.co.kr/m_home/view.jsp?idxno=202410161026516620875

https://www.g-enews.com/article/ICT/2024/09/202409261008158453c5fa75ef86_1

https://news.samsungdisplay.com/24913

https://news.samsungdisplay.com/27832/

https://www.etri.re.kr/webzine/20210319/sub01.html

[참고문헌]

AR/VR 및 메타버스 관련 디스플레이 / 광학기술 표준화 동향

https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=JAKO202332143829501&oCn=JAKO202332143829501&dbt=JAKO&journal=NJOU00294963&keyword=VR%20디스플레이%20OR%20%22VR%20디스플레이%22