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Nikkei Electronics_2020.12 Emerging Tech (p64~75)

'HoloLens 2' 분해∙분석
시야각 50° 이상을 위한 의지, 비용 도외시한 ‘발열 대책

2020년 7월에 일반 판매가 개시된 미국 Microsoft의 ‘HoloLens 2’는 가격이 약 42만엔(세금 포함)으로 고가이다. 그러나 경쟁 제품에 비해 넓은 시야각과 풍부한 클라우드 연계 애플리케이션으로 인해 법인용을 중심으로 기업에서의 채택이 확대되고 있다. 이번에는 그 HoloLens 2를 분해해, 열 설계 및 광학계 내부를 분석했다.

미국 Microsoft가 2019년 11월에 발매한 MR(Mixed Reality)용 헤드 마운트 디스플레이(HMD) ‘HoloLens 2’. 2016년 3월에 발매한 초대 ‘HoloLens’에 비해, 시야 넓이를 2배로 올려, 처리 성능이나 착용감 등을 향상시킴으로써 법인에서의 이용이 크게 확대되고 있다.

HoloLens 2는 지금까지 법인용으로 판매되어 왔지만, 2020년 7월에 Microsoft의 공식 온라인 스토어에서 일반 판매가 개시되었다. 가격은 42만2,180엔(세금 포함). 이번에는 포멀하우트테크노솔루션즈의 디렉터인 가시와오(柏尾) 씨가 구입한 제품을 공동으로 분해해 조사를 시행했다.

-- 예약으로부터 1년 반 만에 겨우 구입 --
편집부에서는 분해 등의 평가를 위해 2019년 2월의 제품 발표 시, 법인 창구에서 즉시 예약을 했다. 같은 해 11월에는 출하가 시작될 것이라는 안내에도 불구하고 언제 손에 넣을 수 있는 지 감감무소식이었다.

일본 Microsoft의 홍보에 따르면, 생산이 공급 대수를 따라가지 못해 부족한 상태가 지속되었기 때문에 대기업 고객부터 우선적으로 출하되고 있었다고 한다.

그 후에도 구입 안내가 도착하기를 계속 기다렸지만, 2020년 7월에 일반 발매가 개시된 이후에도 별도의 안내는 없었다. 최종적으로 공식 스토어에서 재구매하는 형태로, 예약으로부터 1년반이 지나서야 겨우 HoloLens 2를 손에 넣을 수 있었다.

-- 레이저로 휘도 향상 --
HoloLens 2는 경쟁 제품인 미국 Magic Leap의 ‘Magic Leap 1’과 비교해도 손색이 없거나 그 이상의 성능을 갖추고 있다. 사양 상에서 크게 다른 것은 영상 표시의 광원이다.

HoloLens 2에서는 레이저 광원+MEMS 미러의 조합을 이용해 영상을 표현한다. Magic Leap 1이나 초대 Hololens가 채택한 LED 광원+LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 패널의 편성보다 휘도를 높일 수 있다. 표시 영상을 계측해 보면, HoloLens 2는 Magic Leap1의 10배 이상의 휘도를 나타냈다.

한편, 이 방식은 표시 영상에 컬러 번짐이 발생하기 쉽다는 결점이 있다. 실제로, 편집부에서 구입한 기기는 지금까지 전시회나 발표회에서 체험한 전시용보다 영상의 컬러가 번지거나 뿌옇게 보이는 경우가 있었다. 전시회 등에서는 엄선된 기기를 사용하고 있는 가능성이 있다.

-- 부품 개수가 스마트폰의 2대분 --
HoloLens 2는 매우 복잡한 구조로 되어 있으며 그 부품 수는 많다. “부품 수는 약 2,360개로, 초대 HoloLens의 약 1.5배이며, 일반 스마트폰의 2대분에 상당한다” (가시와오 씨).

이번 분해에서는 시야각을 대폭 향상시킨 광학계 시스템과 광원의 고출력화 및 처리성능 향상에 맞춘 열 설계에 특히 주목했다.

분해 전에 우선 시야각을 계측해 보았다. 그 결과, 수직방향이 28.5°, 수평방향이 43.8°, 대각이 52.2°였다. 초대 HoloLens의 대각인 41°를 크게 웃돌았으며, Magic Leap 1의 대각인 51°도를 넘어섰다. 이 시야각의 향상은 나중에 설명할 광학계 시스템의 연구에 의한 것이다.

열 설계에 대해서는 전두부에 영상표시기판과 광학계를, 후두부에 시스템구동기판과 배터리를 설치해 열원을 전후로 분산시킴으로써 초대HoloLens에 비해 한 군데로 열이 모이지 않는 구조로 만들었다. 각 부분에서는 어떠한 대책이 이뤄지고 있는지 조사해 보았다.

-- 분해 시작, 처음부터 열 대책 등장 --
시작은 광학계와 카메라, 영상표시용 기판 등을 탑재한 전두부 측부터 열어나갔다. 이마 측의 커버를 떼어내자, 빈틈없이 빼곡히 부품이 들어찬 내부구조가 드러났다.

먼저 눈에 들어온 것은, 좌우에 1개씩 배치된 굴뚝 같은 금속제 통이다. 본체를 위에서 보았을 때 보이는 틈새가 이 통으로, 정체는 방열용 부품이었다.

“금속통은 호로형 히트 싱크와 같은 효과가 있어, 표면적을 늘리는데 효과적이다”(열 설계의 전문가인 서멀디자인랩 대표이사의 쿠니미네(国峰) 씨). 이 굴뚝 구조의 방열부는 초대HoloLens부터 측면 헤드밴드 옆에 배치되었으나, 열원으로부터의 거리가 길어 효과는 작았다. HoloLens 2에서는 전두부의 열원 근처에 설치했기 때문에 효과를 높일 수 있었다고 보여진다.

또한 전두부의 케이스 안쪽은 대부분의 면에 그래파이트 시트를 붙여 열 확산을 도모하고 있었다. 케이스는 수지+CFRP(카본)제로, 촉감을 좋게 하기 위한 외관 도장을 하는 등 CFRP의 질감을 감추려는 궁리까지 하고 있다. CFRP를 이용하면 "비용은 월등히 높아진다"(HMD 개발에 종사하는 기술자)라고 하지만, 경량화나 강성, 열팽창에 의한 광학계의 어긋남을 억제하는 등의 효과가 있다.     

한편 CFRP는 열전도율이 크지 않기 때문에 열을 확산시키는데 대량의 그래파이트 시트를 내부에 사용한 것으로 추측된다. 실제로 서모그래피로 측정할 경우, 열 확산으로 인해 케이스에는 히트 스폿이 생기지 않으며 방열용 금속통에 열을 집중시키게 하는 모습을 알 수 있다.

-- 다수의 카메라와 센서는 그대로 채택 --
HoloLens 2나 초대 HoloLens는 주변의 환경 인식 및 고도의 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)을 실현하는 성능이 경합 제품 중에서 월등히 뛰어나다는 것이 특징이다.

그것들을 담당하는 것이 대량의 카메라와 센서들이다. 초대 HoloLens에 이어 HoloLens 2에서도 같은 구성을 채택했다.

거리 화상 센서에는 2018년에 Microsoft가 발표해 '차세대 Kinect'라고도 불리며, 현재는 'Azure Kinect DK' 등의 심도 카메라 제품에 탑재된 모듈을 채택했다.

환경 인식용으로는 좌우 2개씩, 총 4개를 탑재한 대만 Foxconn제의 카메라를 이용한다. 이 밖에 개인 생체 인증을 하기 위한 아이트래킹(시선 추적)용 적외선 카메라를 새롭게 탑재했다.

-- 투명 연성회로기판 및 커버로 시야 확보 --
-- 복잡한 내부 구조를 선보여 --
-- TIM투성이의 영상 표시 기판 --
-- 양 끝 냉각의 V자 히트 파이프 --

-- Microsoft의 독자적 IC가 빼곡히 --
열 대책에 공을 들인 것은 영상표시용 기판의 발열이 크기 때문일 것이다. TIM이 두껍게 칠해진 기판 중앙에 고정되어 있는 MS의 커스텀 IC군(群)이 큰 발열원으로, 주요 기능을 분담하고 있는 것으로 보인다.

중앙의 큰 IC는 HoloLens 2의 핵심이라고도 할 수 있는 Holographic Processing Unit(HPU)의 2세대 제품이다. HPU 위에는 미국 Micron Technology의 SDRAM이 PoP(Package on Package)형으로 구현되어 있다.

HPU 주위를 둘러싸고 있는 작은 IC는 MS 오리지널 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)이다. 3종류의 ASIC이 좌우 대칭으로 2개씩, 총 6개로 구현되어 있다. 형번이나 각인은 MS의 독자적인 것이기 때문에, 이러한 ASIC이 어느 기능을 담당할지 판별하는 것은 어렵다. 다만, 좌우 대칭으로 실장되고 있는 부품에 관련된다고 생각하면, 카메라나 센서 등이 취득한 데이터를 HPU에 송신하기 전에 처리하는 기능을 담당하는 것으로 추측할 수 있다. 예를 들어, 환경 인식에 이용하는 Foxconn제 카메라용의 ISP(Image Signal Processor) 등이다.

-- 기판 소형화에서도 방열 효율이 우선 --
장착시의 착용감 개선을 위해 본체를 소형 및 경량화하려면 기판도 작게 넣어야 한다. 많은 IC와 커넥터가 플렉시블 기판 상에 장착되어 있는데, 이는 기판 면적의 삭감을 노린 것으로 보인다.

한편, 점유하는 기판면적은 넓어지고 있지만, 열 대책을 위해 대담한 부품 선정도 이뤄지고 있다. 예를 들면 영상 표시용 기판의 뒷면 중앙에는 높이가 낮은 콘덴서가 복수로 사용되고 있다. 일반적으로 콘덴서 용량이 커지면 높이가 높아지는 것을, 옆으로 넓힌 폭이 넓은 콘덴서다.

주위의 부품과 높이를 맞춤으로써 기판의 전유 면적을 넓혔다고 해도, 히트 파이프를 가능한 한 기판에 접근시키려고 했을 것이다. 방열 효율을 우선 시 하겠다는 의지가 엿보인다.

열 대책 차원에서 전두부 측 커버나 케이스 등 모든 부분에 온도센서가 부착되어 있는 것도 드문 케이스다.

-- 후두부 측에서도 열 대책 --
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 그래파이트 시트로 덮여 있었다.

그 그래파이트 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 구조를 효율적으로 이용 --

-- 열 설계는 ‘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 되어 있지만, 방열재나 냉각 디바이스를 포함해 상당한 비용이 들고 있다”(쿠니미네(国峯)씨). HMD 개발에 참여한 기술자도 발열 문제를 특히 해결하려고 했던 것으로 보인다.

HoloLens 2는 가격이 42만엔이 넘는 고액 상품이며, 비용을 도외시한 설계 등의 뛰어난 기술력이 관철되었다. 한편, HMD 개발에 종사하는 기술자가 ”초대 HoloLens부터 HoloLens2 발표까지의 3년만에 이것을 만들라고 한다면, 우리는 할 수 없을 것이다”라고 말했듯, 설계가 뛰어난 것은 사실이다. “초대 HoloLens는 시작품과 같은 인상을 받았지만, HoloLens 2가 되고 나서는 마침내 제품다워졌다”(쿠니미네 씨).

-- 광학계 유닛 분해 --
여기서부터는 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 날개 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.

-- 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 안이 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 입사(入射)해, 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.

-- '시야각 50° 이상'에 대한 집념 --
광로에서 빛의 반사 횟수를 늘리면 광원 모듈이 커지기 때문에 소형 경량화의 방향성과는 상반된다. 그럼에도 불구하고 HoloLens 2는 시야각 확대를 최우선으로 하여 복잡한 광학계를 이용한 것으로 보인다.

또한, 시야각을 넓힘으로써 생기는 컬러 번짐 현상과 같은 단점은 사용자의 눈에 보일 정도로 확연하게 남아 있다. 실제로 사용할 경우, 초대 HoloLens보다 영상의 화질이 떨어졌다고 느끼는 사람도 많을 것이다.

이는 화질보다 시야각 확대를 우선 시 한 것으로 보인다. 그 배경에는 Magic Leap 1과 같은 라이벌 제품에 대한 대항 의식이 있었을 것이다. HMD 개발에 참여한 기술자는 전체적으로 ‘시야각 50도 이상’을 어떻게 해서든 달성하고 말겠다는 집념이 있었다고 한다.

 -- 끝 --

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