일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.8.3

SID Display Week 2023
샤프의 최첨단 VR 고글 기술
초슬림형 경량이지만 밝기는 약 2배

샤프와 그 자회사로 디스플레이 관련 사업을 담당하는 샤프디스플레이테크놀로지(SDTC)는 올 5월, 미국에서 열린 디스플레이 관련 기술 국제학회 SID Display Week 2023(SID)에서 최근 수 년간 최다인 15건의 논문을 구두 발표했다.

15건 중 4건은 디스플레이 자체가 아니라 디스플레이 기술을 활용해 개발한 논디스플레이 기술에 대한 것이다. 그 중 하나가 SDTC가 발표한 VR(가상현실) 고글 및 AR(증강현실) 글래스용의 ‘더블 패스형 팬케이크 광학계’이다. 이 논문은 SID로부터 ‘탁월 논문(Distinguished Paper)’으로 평가 받았다.

-- 팬케이크 광학계를 채택한 VR 고글 속속 등장 --
팬케이크 광학계(또는 팬케이크 렌즈)는 VR 고글이나 AR 글래스에 이용되는 초소형 디스플레이에서 영상을 눈으로 전달하기 위한 광학계의 일종이다. 지금까지 일반적이었던 프레넬 렌즈를 대신해 VR 고글 신제품에 속속 채택되고 있다.

팬케이크라는 이름은 하프 미러나 반사형 편광판, 1/4파장판 등을 겹쳐서 사용함으로써 빛을 수 차례 꺾이도록 해 광학계의 두께를 압축하면서 초점거리의 길이를 확보하는 것에서 기인한다. 프레넬 렌즈에 비해 광학계를 얇게 할 수 있기 때문에 기존의 상자 같은 것이 얼굴의 전방으로 크게 돌출된 형상의 VR 고글에서 스키용 고글에 가까운 형상이 가능. 전원 부분 이외는 대폭 소형 및 경량화할 수 있다는 장점이 있다.

하지만 팬케이크 광학계에는 한 가지 큰 과제가 있다. 이 광학계에서는 디스플레이로부터의 빛이 눈에 들어오기까지 하프 미러를 2회 통과한다. 빛이 하프미러를 한 번 통과하면 빛의 세기는 1/2가 된다. 결과적으로 디스플레이에서 나오는 빛의 세기가 1/4 이하 밖에 눈에 들어오지 않는 것이다.

이것은 VR 고글의 소비전력과 직결된다. 눈에 들어오는 영상의 밝기를 확보하기 위해 디스플레이의 휘도를 더 높일 필요가 있기 때문이다. VR 고글에서는 예전부터 전원을 어떻게 할 것인지가 과제였으며, 팬케이크 광학계를 채택한 제품은 배터리가 대용량화되는 경향이 있었다. 광학계를 소형화해도 배터리가 무거워지기 때문에 제품 전체적으로는 그다지 경량화되지 못했다.

이번 SDTC 논문에서는 이 점을 크게 개선했다. 구체적으로는, 팬케이크 광학계에 반사형 편광판을 1장 추가해 하프 미러로 한 번 분기한 빛을 회수해 ‘주류’의 빛에 합류시키는 것이다.

이때 포인트가 되는 것은 하프 미러 앞뒤의 광학계가 대칭이라는 것. 대칭성을 유지할 수 없게 되면 회수한 빛이 주류의 빛과 겹치지 않아 영상이 2중으로 보이게 된다.

-- 빛의 세기가 약 2배로 --
SDTC에 따르면, 이 기술을 이용한 결과, 눈에 들어갈 때 약 1/4, 구체적으로는 23.1%였던 디스플레이의 빛의 세기는 약 1.8배인 42.2%까지 강해졌다. 정확하게 두 배가 안 되는 것은 렌즈 등에 의한 흡수나 반사 등의 약간의 손실 등이 늘고, 청색광 투과율이 낮기 때문이다.

이 기술로 SDTC가 시작(試作)한 광학계 부분의 두께는 20.6mm. 시작한 VR 고글은 앞으로 돌출된 부분이 거의 눈에 띄지 않는다. 또한 일반 유리 렌즈보다 비중이 약 1/2 가벼운 수지 렌즈를 이용한 점과 전원을 전기 코드를 통해 얻기 때문에 무게는 배터리 없이 175g. 제품화된 팬케이크 광학계를 이용한 VR 고글의 대부분은 배터리 없이 약 300~500g이다.

용량 20Wh의 배터리는 약 100g으로, 배터리가 장착되더라도 SDTC의 시작 VR 고글은 최경량급이다. 소비전력이 낮다는 것은 배터리를 보다 소형화할 수 있고 풀 충전 후의 연속 이용 시간을 크게 늘릴 수 있게 된다.

-- 2,000ppi 이상이면 과제는 해결 --
과제를 굳이 말하자면, “광학계의 배율이 18.5배로 높다는 점 때문에 (디스플레이의 정밀도가 1,200ppi(pixel per inch)에서는) 스크린도어 효과가 나타난다”(SDTC)라는 점이다.

스크린도어 효과란 VR 고글이 디스플레이 영상을 크게 확대해 보여주는 것으로, 화소 구조가 입자 모양 또는 그물 모양으로 보이는 것이 과제이다. “2,000 ppi 이상의 정밀도가 필요하게 될지도 모른다”(SDTC)라고 하지만, 최신 VR 고글에서는 이러한 초고정밀 디스플레이도 자주 볼 수 있다.

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