Nikkei Automotive_2021.10 European Report (p54-57)

증강현실(AR) 적용 자동차 HUD
벤츠 S클래스에 적용, 10m 앞에 77인치의 거대 AR 표시

자동차에 증강현실(AR)이 본격적으로 적용되기 시작했다. 상징적인 예가 독일 다임러 ‘Mercedes-Benz’ 브랜드의 기함 세단 ‘S클래스’다. 2020년 하반기의 전면 개량에 맞춰, 운전자 시점에서 10m 앞에 77인치 상당의 영상을 표시하고, 일부 일러스트의 위치를 도로나 전방 차량에 맞춰서 제어할 수 있는 HUD(헤드업 디스플레이)를 탑재한다. 현재 세계 최고 성능으로 ‘괴물급’이라고 할 수 있는 물건이다. 그 실현 기술을 밝힌다.

HUD는 주로 스티어링 휠 전방의 인스트루먼트 패널 부분에 내장하는 차량탑재 기기다. 차속이나 경로 안내와 같은 정보를 일러스트로 하여 운전자 시점에서 수 m 앞에 허상으로 비춰준다. 운전자는 전방을 향한 시선을 움직이지 않고 필요한 정보를 얻을 수 있기 때문에 이른바 곁눈질 운전을 줄일 수 있어 안전성이 높아진다.

S클래스는 AR 표시의 적용으로 더욱 안전한 차량을 지향했다. 예를 들어, 경로 안내 화살표를 도로에 겹치도록 표시한다. 운전자에게 다음에 취해야 할 조작을 직감적으로 이해시킨다. 또한 전방 차량의 위치를 나타내는 일러스트로 추종 기능의 작동을 알기 쉽도록 한다.

S클래스의 AR 표시는 일종의 착각을 이용하고 있다. 표시 거리는 운전자의 시점에서 10m 앞에 고정하고, 일러스트의 크기를 제어함으로써 경치에 겹쳐진 형태로 보여준다. 먼 곳은 작게, 가까운 곳은 크게 비춤으로써 원근감을 만들어낸다.

전방 감시용 스테레오 카메라나 밀리파레이더로 물체나 도로의 흰색 선을 감지해서 대상물에 맞추듯 그림의 크기와 위치를 제어한다. 현재, 운전자의 시선을 카메라로 감지해 표시를 미세 조정하는 시스템은 도입하지 않고 있다.

-- 표시거리 ⅹ 화각이 관건 --
S클래스 전용의 HUD는 세계 점유율 선두인 닛폰세이키(日本精機)가 개발∙공급하고 있다. AR 표시의 키는 표시 거리와 화각에 있으며, 이들을 곱한 것이 최종적인 표시 사이즈에 상당한다. 표시 거리를 늘릴 수 있으면 그 만큼 전방의 경치에 일러스트를 겹치기 쉬워진다. 운전자는 눈의 초점 조정이 편해진다. 화각을 확대하면 일러스트를 광범위하게 움직이기 쉽다.

지금까지 닛폰세이키는 다임러의 SUV ‘GLE’ 전용으로도 HUD를 공급했으며, 이것이 기존의 상위 모델이라는 위치였다. 표시 거리는 운전자의 시점에서 2.8m이며, 이번 10m는 거리를 3배 이상으로 늘린 것이다.

닛폰세이키 HUD개발∙설계본부의 야마야(山谷) 본부장은 “장기적으로는 표시 거리도 가변적으로 해서 3차원적으로 보여주고 싶다. 그러나 현재는 10m 앞에 고정하는 것이 최적해다”라고 말한다.

화각도 넓히고 있다. GLE 전용의 HUD의 화각은 좌우9도ⅹ상하3도였다. 아이박스(운전자가 표시 영상을 한쪽 눈으로 확인할 수 있는 크기)는 가로135ⅹ세로55 mm. 표시 거리 2.8m를 곱하면 18.6인치 상당의 사이즈가 된다. S클래스 전용의 HUD는 화각을 좌우10ⅹ상하5도로 넓히고, 아이박스를 가로142ⅹ세로128mm로 확대. 10m 앞에 77인치의 큰 화면이 펼쳐진다.

다만 표시 거리를 늘려 화각을 넓히는 것은 HUD 기구의 거대화를 초래한다. 예를 들어, 표시 거리를 늘리기 위해서는 일반적으로 기구 내부에서 반사 횟수를 늘려 광로(光路)를 늘리거나 거울의 배율을 높여 확대한다. 모두 부품의 추가나 대형화가 필요하게 된다. 닛폰세이키는 이번에 새로운 광학 기술을 채용하여 반사 광로의 확대를 억제하면서 고배율화에 성공했다.

발본적으로 바꾼 것은 영상의 생성 장치와 거울에 의한 반사 기술이다. PGU(이미지 생성 유닛)에는 닛폰세이키의 첫 DMD(Digital Micromirror Device)를 채택했다. DMD는 다수의 미세 미러를 평면으로 배열한 표시 소자다. 미러의 수가 화소수에 상당하며, 각각의 온과 오프를 미세 제어해 영상을 그린다. S클래스 전용 HUD는 약 66만 화소이며, 미세 미러 크기는 7.6μm각으로 한다.

-- 보정거울과 오목거울로 확대 표시 --
DMD로 생성한 영상은, 보정거울과 오목거울로 2회 반사시켜 프런트 윈도우에 투영하고 있다. 보정거울은 특수한 모양을 하고 있다. 오목거울은 A4 사이즈로 크고, 세로 방향의 곡률을 크게 해서 배율을 높이고 있다. 2종류의 거울은 모두 수지성형 제품으로 닛폰세이키가 제작한다.

닛폰세이키는 이들 특수한 거울을 사용해 ‘크로스 광학’이라고 부르는 신기술을 개발했다. 보정거울을 사용하여 세로 방향의 광학계를 한번 실상(實像)으로 결상(結像)하고, 그 실상의 위치가 상당히 오목거울에 가깝기 때문에, 오목거울로 배율을 높여 단초점으로 HUD의 표시 위치에 허상을 결상시킨다.

새로운 광학기술을 통해 성능이 동등한 HUD와 비교해서 30% 정도 기구의 용량을 줄일 수 있다는 계산이다. 그러나 10m 앞에 77인치 상당의 영상을 비추는 성능이므로 기구의 대형화는 불가피했다.

S클래스 전용 HUD는 용량 약 20L로, GLE 전용 HUD의 약 8L에 비해 2.5배 크기다. 야마야 본부장은 “S클래스는 개발 당초부터 AR 표시를 염두에 두고 있었기 때문에 탑재 공간을 어떻게든 확보할 수 있었다”라고 설명한다.

일반적인 HUD에서는 PGU에 비교적 저렴한 TFT(박막 트랜지스터) 액정 패널을 사용하는 경우가 많다. 생성한 영상은 HUD 내부의 평면거울이나 오목거울로 2번 반사하며, 광로를 벌면서 확대하여 프런트 윈도우에 투영한다. 이 방식의 경우, 3m 정도의 표시 거리라면 용량 10L 전후면 된다.

높은 배율의 광학기술에는 오목거울의 집광으로 열이 크게 발생하기 쉬운 약점도 있다. 일반적인 HUD라면 시스템 전체의 확대 배율은 5배 정도지만, S클래스 전용에서는 20배까지 확대. 기존의 TFT에서는 열을 견디지 못하고 ‘보난자 현상’이라는 액정의 흑화가 발생하고, 그 부분의 영상이 빠진 것처럼 안보이게 된다.

온도가 내려가면 원래대로 되돌아가지만 표시 콘트라스트가 떨어지므로 피해야 할 현상이다. PGU에 새로 채용한 DMD는 액정이 아니기 때문에 이러한 현상이 발생하지 않는다. 고배율에서도 표시 품위를 안정적으로 유지할 수 있다.

또한 DMD에는 색의 재현율이 높다는 강점도 있다. TFT는 흰색 LED에 컬러 필터를 조합하였고, 색상 재현율을 나타내는 NTSC비는 46% 정도다. DMD는 RGB의 3색 LED와 분할 구동에 의해서 NTSC비 90%를 실현할 수 있다. 특히 붉은색이 예쁘게 보이기 때문에 경고 일러스트와 같은 주의 환기에 사용하기 쉽다.

한편 DMD의 과제는 비용이다. S클래스용 DMD 칩은 대각 0.55인치의 전용 설계품이다. 현시점에서 미국 TI(텍사스 인스트루먼트) 이외의 조달 후보가 없기 때문에 수평 전개 등의 대량 생산을 실현해도 비용 삭감에는 한도가 있다.

그리고 열에 대한 대응책으로 HUD 기구의 외장에 해당하는 케이스의 재질을 변경했다. 기존에는 수지 성형 제품을 채용하고 있었다. 그러나 태양광 집광으로 고온이 되더라도 쉽게 변형되지 않는 마그네슘 제품으로 변경했다. 진동에 의한 변형도 작기 때문에 주행 시 AR 표시가 안정적이다. 케이스는 상하로 나뉘어져 있고, 하부에 PGU와 보정거울, 오목거울을 부착하고, 상부를 덮어서 구성하였다.

-- 좌우 30도 이상에서 보행자까지 일러스트 겹쳐서 표시 --
닛폰세이키는 S클래스를 시작으로 AR 표시의 연구 개발을 가속해 나간다. 현재의 좌우10×상하5도에서는 일러스트를 겹칠 수 있는 범위가 도로 위로 한정되기 때문에 앞으로는 보행자까지 일러스트를 겹쳐서 표시해 안전성 향상을 노린다.

다만 화각을 좌우와 상하로 각각 2배로 만들었다고 해도, 표시 거리 10m에서는 경치의 60~70%까지 커버하는 것이 한계라고 한다. “보행자까지 일러스트를 겹쳐서 비추려면 좌우 30도 이상이 필요하다”(야마야 본부장).

닛폰세이키는 이 높은 장벽을 넘기 위해 자사의 연구 개발과 더불어 광학계 기술을 보유한 스타트업 기업과의 제휴도 고려하고 있다. HUD의 부가가치를 높이는 AR 표시 기술을 더욱 개발해 세계 점유율 선두 자리를 굳게 지켜나간다.

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