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Nikkei X-TECH_2020.11.27

HoloLens2 분해 (2)
MS의 HoloLens 2를 분해
시야각 50도 이상을 위해 여러 가지 방안 모색

-- 후두부 측에서도 열 대책 --
이어서, 후두부 측 유닛 분해에 착수했지만 이내 손을 멈추고 말았다. 헤드밴드의 길이를 조절하는 특수한 기구에 나사 등이 발견되지 않아, 분해 방법을 몰랐기 때문이다.

결국, 기구 부분을 잘라내어 분해했지만 분해 도중에 조정 다이얼이 ‘툭’ 하고 빠지 면서 나사가 보였다. 정확한 분해 순서는 먼저 조정 다이얼을 빼내는 것이었다.

헤드밴드 내부에는 앞뒤 기판을 연결하는 케이블과 스피커가 탑재되어 있다. 케이블의 길이를 똑같이 맞추고 싶었는지, 트위스트 케이블이 아닌 1줄씩 가로로 늘어놓은 평평한 형태로 케이블 선이 배치되어 있었다.

후두부 측 유닛을 분해해 내용물을 꺼내보니, 이쪽도 열 대책에 공을 들인 사실을 알 수 있었다. 예를 들어 케이스 안쪽은 전두부 유닛과 마찬가지로 그라파이트 시트로 덮여 있었다.

그 그라파이트 시트에 두꺼운 TIM을 사이에 두고 접촉하고 있던 것은 방열 부품의 베이퍼 챔버이다. 베이퍼 챔버 또한 두꺼운 TIM으로서 애플리케이션 프로세서 등을 실장한 시스템 구동용 기판에 장착되어 있었다. 기판의 열을 확산시켜 케이스 쪽으로 빠져나가도록 하는 것으로 보인다.

-- 입체 구조 낭비 없이 이용 --
후두부 측 유닛 내부는 리튬이온 2차전지나 시스템 구동용 기판 등이 보기 좋게 겹쳐져 있어 입체 공간을 남김 없이 활용한 구조로 되어 있었다. 전두부에 비하면 깔끔한 인상을 갖게 한다.

리튬이온 2차전지는 4개의 배터리를 일체로 한 유닛으로 되어 있다. 후두부의 케이스 형상에 맞게 배치하기 위해 여러 개를 조합해 모양을 휘게 만들었다. 배터리 용량은 총 4,400mAh로, 조립 제조사는 중국 Dynapack Electronic Technology (Suzhou)이다.

배터리 옆에는 빈 공간을 채우도록 통신용 안테나를 배치하고 있다. 실장한 면의 뒤편은 사용할 수 없기 때문에 안테나 실장에는 면적이 필요하지만, 수지로 만든 통 표면에 안테나 패턴을 짜 넣은 입체 구조로 만듦으로써 공간을 효율적으로 이용하고 있다.

시스템 구동용 기판의 외측(베이퍼 챔버 측)에는 복수의 커넥터와 파워 매니지먼트 IC를 탑재한다.

반대측은 기판 대부분이 실드로 덮여 있어, 그 내부에는 운영체제(OS) 등을 작동시키는 미국 퀄컴의 애플리케이션 프로세서 ‘Snapdragon 850’ 등이 탑재되어 있다. 기판 중심의 큰 공간은 헤드밴드의 길이 조정 다이얼용으로, 기판 형상도 입체 공간을 고려한 설계로 되어 있다.

-- 열 설계 ‘시작(試作)에서 제품으로’ --
전체를 통해 열 설계에서는 초대 HoloLens에는 사용하지 않았던 히트 파이프와 베이퍼 챔버를 사용하는 등 “초대 제품에 비해 스마트한 냉각 구조로 되었지만, 방열재나 냉각 디바이스를 포함해 상당한 비용을 들이고 있다”(쿠니미네(国峯)씨). HMD 개발에 참여한 기술자도 발열 문제를 특히 해결하려고 했던 것으로 보인다.

HoloLens2는 가격이 42만엔이 넘는 고액 상품이며, 비용을 따지지 않는 설계 등의 뛰어난 기술력이 관철되었다. 한편, HMD 개발에 종사하는 기술자가 ”(초대 HoloLens부터 HoloLens2 발표까지의) 3년만에 이것을 만들라고 한다면, 우리에게는 일단 무리일 것이다”라고 말하고 있듯이, 설계가 뛰어난 것은 확실하다. “초대 HoloLens는 시작품과 같은 인상을 받았지만, HoloLens 2가 되고 나서는 간신히 제품다워졌다”(쿠니미네 씨).

-- 광학계 유닛 분해 --
여기부터는 전두부에 탑재하고 있던 광학계 유닛을 분해 및 분석하겠다. 광학계 유닛은 레이저 모듈이나 MEMS 미러를 탑재한 광원 유닛, 수지로 만들어진 보호 커버, 유리로 만들어진 도광판, 이렇게 3가지 부품으로 구성된다.

우선 기술자가 주목한 것은 도광판이다. 도광판의 위쪽 한가운데에 빛의 입사(入射) 장소가 있으며 그곳으로부터 좌우로 회절격자(평면 유리로 만들어진)가 펼쳐져 있다. 그 형태는 “마치 나비의 날개와 같다”(광학계의 기술자).

도광판 단독으로 빛을 입사시켜 보면, 이 회절격자는 빛의 입사각에 의해 전파하는 방향이 바뀐다는 특성을 가지고 있었다. 이 구조로 인해 입사각이 너무 넓어 회절 효율이 나빠서 지금까지 사용할 수 없었던 빛도 반대쪽 회절격자로 이용할 수 있게 된다. 다시 말해, 영상 표시 영역을 확대할 수 있는 것이다.

도광판의 구조 자체는 처음과 큰 변화는 없으며 이 빛을 좌우로 펼치는 구조도 특별한 기술을 필요로 하는 것은 아니라고 한다. HMD 개발에 종사하는 기술자는 “왜 진작 생각해내지 못했는지 모르겠다. 원리는 단순한데 발상의 전환이 뛰어나다”라고 말했다.

-- 도광판은 유리 2매로 구성 --
HoloLens2의 도광판은 눈 쪽과 바깥 쪽에서 2장의 유리를 붙여서 만들어졌다. 3장을 붙였던 초대 도광판에 비해 유리 자체의 두께도 얇아졌으며, 전체 두께는 약 절반이 되었다.

빛의 통로가 2장 밖에 없기 때문에 빛의 적녹청(RGB)의 3색을 2장으로 나누어 전파시킬 필요가 있다. 어떤 색이 어느 쪽을 전파하고 있는지, 도광판의 일부를 나누어 확인해 보았다. 그러자, 눈 쪽에 있는 도광판은 적색과 녹색을, 바깥 쪽의 도광판은 녹색과 청색을 전파하고 있었다.

도광판을 자세히 살펴보니, 눈과 바깥 쪽에서 회절격자의 슬릿(Slit) 간격이 다르다는 것을 알 수 있었다. 또한 유리의 양면에 회절격자가 만들어져 있었다. 회절격자의 패턴은 겉과 속이 동일하며, 이 양면의 회절격자를 조합해 입사각을 나눠 나비날개와 같은 빛의 전파를 실현했다.

-- 실력을 발휘한 레이저 광원부 --
광원 모듈은 레이저 모듈 1개에 MEMS 미러가 2개, 반사판이 4개에, 렌즈가 1개로 복수의 부품을 조합한 구조로 되어 있다.

레이저 모듈로부터 나온 빛은 우선 MEMS1에 입사해, 수평 방향으로 펼쳐질 수 있다. 그 후 4회의 반사를 거쳐 렌즈를 통해 평행광으로 되돌린 후에 MEMS2에 입사, 수직 방향으로 펼쳐 최종적으로 도광판에 입사한다. 총 6회의 반사를 통해 광로장(光路長)을 벌기 위한 것이 목적일 것이다. 약간의 각도가 어긋나도 광로가 흐트러지기 때문에 상당히 높은 조립 정밀도가 요구된다.

또한 기술자는 레이저 모듈 내부의 구조가 흥미롭다고 지적한다. 그 구조란 레이저 출력부에 집광용의 렌즈를 설치함으로써 빛을 한 번 수렴해 가능한 한 가늘게 뽑아내어 MEMS1에 입사시킨다는 것이다.

이 빛을 하나로 모으는 것에 공을 들인 이유에 대해 광학 설계에 정통한 기술자는 ‘직접 레이저광을 입사했다면 수평 방향으로의 빛의 화각 형성이 부족해 시야각 50° 이상을 달성할 수 없었기 때문이 아닐까?’라고 추측한다.

-- '시야각 50° 이상'에 대한 고집 --
광로에서 빛의 반사 횟수를 늘리면 광원 모듈이 커지기 때문에 소형 경량화의 방향성과는 상반된다. 그럼에도 불구하고 HoloLens2는 시야각 확대를 우선으로 하여 복잡한 광학계를 이용한 것으로 보인다.

또한, 시야각을 넓힘으로써 생기는 색 얼룩과 같은 단점은 사용자의 눈에 보일 정도로 분명히 남아 있다. 실제로 사용할 경우, 초대 HoloLens보다 영상의 화질이 안 좋아졌다고 느끼는 사람도 많을 것이다.

즉 화질보다 시야각 확대를 우선 시 한 것으로 보인다. 그 배경에는 Magic Leap 1과 같은 라이벌 제품에 대한 대항 의식이 있을 것이다. HMD 개발에 참여한 기술자는 전체적으로 ‘시야각 50도 이상’을 어떻게 해서든 달성해야겠다는 의지를 가지고 있었다고 말했다.

 -- 끝 --

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