일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.4.27

탈바꿈할 수 있을까? 공중(空中) 디스플레이
아무것도 없는 곳에 영상을 띄우는 방법은?
여러 방식으로 경쟁하는 공중 디스플레이

공중 디스플레이의 핵심 부품인 "패시브(수동)형 광학 소자"에는 주로 4종류의 방식이 있으며, 그 방식에 따라서 광학 시스템의 구성과 특성 등이 달라진다. 따라서 기기 설계자는 각 장단점을 잘 이해할 필요가 있다.

2022년 8월에 도쿄역 앞에 위치한 지상 45층의 고층 복합건물인 ‘도쿄 미드타운 야에스(八重洲)’가 준공을 앞두고 있다. 포스트 코로나 시대의 최첨단 사무실을 자랑하는 이 건물의 사무동에서는 감염증 대책을 위해 완전 비대면 체계가 도입된다.

얼굴 인증을 통한 오피스 출입통제 시스템 등과 함께 채택되는 것은 33층이 있는 사무실의 각 층 엘리베이터 홀에 설치되는 공중 디스플레이 기술을 이용한 비접촉 방식의 목적층 선택 버튼이다. 각 층에 2대씩 등 총 70대 정도의 "공중 터치 디스플레이 장치"가 도입된다.

이 장치를 개발 및 제공하는 곳이 돗판(凸版)인쇄이다. 최대 특징은 내장된 7인치 액정 디스플레이(LCD)와 평행으로 공중에 결상시킴으로써 장치의 두께가 전자 회로 기판을 포함해 60mm로, 대부분의 타사 제품에 비해 약 50% 얇다는 점을 들 수 있다.

돗판인쇄는 기술에 대한 자세한 내용에 대해 "특허 신청 중이라 밝힐 수 없다"(일렉트로닉스 사업본부 오루타스 사업부 영업부기획팀 이와노(岩野)부장)라고 한다. 다만 이 장치와 마찬가지로 디스플레이와 평행으로 영상을 띄우는 ‘마이크로 렌즈 어레이(MLA)’와는 다른 독자적 방식을 개발했다고 한다(이와노 부장).

-- 신용금고 ATM에서 175대 도입 --
돗판인쇄의 독자적 방식은 그 동안 4종류인 것으로 알려졌던 공중 디스플레이용 패시브형 광학 소자에 새롭게 합류한 방식이다. 그 4종류는 앞에서 설명한 MLA 외에, 재귀성 반사 번호판을 사용한 시스템인 ‘AIRR(Aerial Imaging by Retro-Reflection)’, ‘2면 직교 리플렉터’로 불리는 소자를 사용한 ‘ASKA3D’, ‘2면 코너 리플렉터 배열’을 사용한 ‘패리티 밀러’를 말한다.

이들 플레이트를 사용해 이미 많은 기업들이 공중 디스플레이 시스템을 개발하고 있다. 예를 들면, AIRR은 미쓰비시전기(三菱電機), 맥셀(Maxell), ATM의 대형 개발업체인 히타치채널솔루션즈(구(舊) 히타치오므론터미널솔루션즈), ASKA3D는 간다(神田)공업 및 대일본인쇄, 맥셀, 패리티 밀러는 자동차용 백미러에서 일본 국내 셰어 1위인 무라카미 코퍼레이션 등이 각각 채택하고 있다.

개발품 중에는 이미 현장에 도입된 것도 많다. 예를 들면, 히타치채널솔루션즈가 AIRR에서 개발한 ATM에 탑재한 시스템은 국내 31개의 신용금고에 175대가 도입되고 있다. 또한 ASKA3D를 사용한 시스템은 세븐일레븐 재팬의 캐시리스(비현금결제) 셀프 계산대 및 다이와(大和)하우스공업이 추진하는 분양 맨션의 ‘공중 터치 인터폰’ 등에서의 실증이 진행 중에 있다.

-- 도로표지판 기술을 전용(轉用) --
패시브형 광학 소자를 사용한 공중 디스플레이는 공중에 결상하는 원리에 따라서 시스템 구성이나 특징이 다르다.

재귀성 반사는 도로표지판, 차량 번호판, 간판 등 우리가 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 익숙한 기술이다. 입사한 빛이 같은 방향으로 반사되는 성질로 시트 표면에는 미세한 삼면경(마이크로 프리즘) 등이 형성되어 있다. 직교하는 경면에 2회 반사된 빛이 원래의 방향으로 되돌아오는 구조다.

공중 디스플레이용의 재귀성 반사 플레이트는 이 원리를 응용한 것으로, 빔 스플리터(하프 미러)와 조합해 시스템을 구성하며, 디스플레이의 영상을 공중에서 결상한다. 구체적으로는 빔 스플리터로 반사된 디스플레이의 영상 빛의 일부가 재귀성 반사 플레이트로 입사. 그것들이 같은 방향으로 반사되어 빔 스플리터(Beam splitter)를 투과하여 공중에서 결상된다.

가장 큰 장점은 재귀성 반사라는 오래된 기술을 사용하기 때문에 다른 방식의 플레이트에 비해 값이 싸며 빔 스플리터를 투과하기 때문에 광학 설계의 자유도가 높다는 점이다. 한편, 다른 방식보다 시스템의 사이즈가 커지는 것 외에도, 영상 빛이 빔 스플리터를 2회 통과하기 때문에 공중 영상이 다른 방식보다 어둡고 흐릿해진다는 단점이 있다.

공중 디스플레이용의 재귀성 반사 플레이트는 표지판 등 다른 용도를 위한 양산 실적이 있는 일본카바이드공업이 제품화했다.

-- 하프미러(반투명 유리)는 불필요 --
아스카넷의 ASKA3D와 정보통신연구기구(NICT) 발(發) 벤처기업인 패리티이노베이션스(Parity Innovations)가 개발하는 패리티 미러는 같은 원리에 근거한다. 플레이트에 입사한 디스플레이 빛을 직교하는 2개의 경면에 반사시켜, 그 후, 플레이트를 투과해 공중에 결상한다. 첫 번째 입사각과 두 번째 출사각의 각각의 반사각도가 같기 때문에 플레이트를 축으로 면대칭 공간에 실상을 표시한다.

AIRR 같은 하프미러는 불필요하다. 이 때문에, AIRR에 비해 밝고 흐릿함이 적은 뚜렷한 영상을 얻을 수 있다는 것이 특징이다.

ASKA3D와 패리티 미러의 차이는 소자의 구조와 제조법에 있다. ASKA3D의 2면 직교 리플렉터는 슬릿 상태의 미러가 직교하도록 2장의 플레이트를 접합한 구조를 하고 있다.

언뜻 보기에는 심플한 2층식 미러의 구조처럼 보이지만, 수백 µm(미크론) 단위의 슬릿을 고정밀도로 성형하고 있을 뿐만 아니라, 기재(基材)와 같은 굴절률의 접착제를 사용하는 등 “광학적으로 꽤 높은 수준의 작업을 하고 있다”(ASKA3D의 개발자인 아스카넷 공중 디스플레이 사업부 연구개발팀 오쓰보(大坪) 스페셜리스트). 전용 접착제는 미쓰이화학이 개발 및 제공하고 있다.

그는 개발 초기에는 원하는 영상 품질을 내지 못했다. 빛은 디스플레이의 1화소부터 구면(球面) 상으로 퍼져 나가는데, 이 1개의 광선을 면대칭으로 모아 결상하지 않으면 안 된다. 플레이트가 조금이라도 뒤틀려 있거나 접착제의 굴절률이 플레이트의 재질과 다를 경우에는 영상이 희미해져 버린다.

최근에 들어 그 구조에 대해 많이 알게 되었다”라고 말한다. 세븐일레븐 재팬의 집행임원 및 시스템본부장인 니시무라(西村) 씨는 “처음 보았을 때는 현재보다 화상이 조금 희미했지만, 튜닝을 해 나가는 가운데 실제 사용이 가능할 것으로 판단했다”라고 평가한다.

실은 ASKA3D에는 유리제와 수지제가 있다. 비용 면에서 양산에 적용하는 것은 수지제가 된다. 유리제와 수지제는 기본 구조는 같지만, 그림3(a)는 유리제로, 수지제는 슬릿 미러의 부분이 직각 삼각형이 늘어선 것 같은 톱니형을 하고 있다.

“처음에는 직사각형인 슬릿형을 수지로 성형하려고 도전하고 있었지만, 고정밀 성형이 곤란하기 때문에 톱니형으로 정해졌다”(오쓰보 씨). 직각삼각형의 밑면 폭은 300µm, 높이는 500µm이다. 이렇게 형성한 플레이트 2장을 역방향으로 하여 접착제로 붙이고 있다.

한편, 패리티 미러의 2면 코너 리플렉터 어레이(2C)는 플레이트 위에 수백µm 간격으로 측면이 경면, 상하가 투명한 사각 기둥의 필러를 설치했다. ASKA3D가 2매의 플레이트를 서로 접착시키는 것에 대해, ”1회의 성형으로 만들 수 있기 때문에 비용 절감에 대한 잠재력이 크다”(패리티이노베이션스 마에카와(前川) 대표이사)라고 한다. 나노임프린트 기술을 활용해, 예를 들면 100mm 각의 플레이트 내에 10만개에 가까운 필러를 형성한다.

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