VR(Virtual Reality), 가상현실이란?

가상현실은 현실과 분리된 컴퓨터가 만든 가상공간 안에서 주변을 인식하는 동적 기술과 디스플레이를 활용해, 사람 오감을 자극하여 현실과 유사한 체험을 가능케 하는 새로운 가상 환경을 만드는 기술입니다. 가상현실을 만들기 위해서 좌우 양안 시차가 있는 이미지를 광학 엔진과 디스플레이를 통해 구현합니다. 2~3인치 크기의 고해상도 디스플레이에서 이미지를 표현하고, 광학 엔진을 이용하여 이미지를 투사해 원거리에 100인치 이상의 가상스크린과 90도 이상의 넓은 시야각을 갖는 허상 이미지를 사용자에게 제공하는 기술입니다.

VR 기술은 시장조사 기관인 가트너(Gartner)의 '2019년 Top 10 전략 기술'에 선정되었으며, 4차 산업혁명 시대의 핵심 미래 기술로 주목받고 있습니다. 최근 5G 생태계가 구축되고 언택트 환경이 조성되면서 게임, 유명 관광지 여행, 예술 활동, 스포츠 활동, 교육용, 의료용, 산업 및 군사용으로 다양한 방면에 활용되고 있습니다.

가상현실(VR) 디스플레이는 어떤 원리로 작동될까?

▲ The Sword of Damocles AR/VR Headset, Samsung Odyssey VR

VR 기술은 1968년 컴퓨터 그래픽 선구자인 유타대 교수 Ivan Edward Sutherland가 최초로 Immersive HMD 시스템을 만들면서 시작됐습니다. 초창기에는 사용자가 착용할 수 없을 정도로 부피가 컸지만 구현 원리는 오늘날의 가상 디스플레이와 큰 차이가 없습니다.

▲ 얇은 렌즈 공식, 가상 이미지 표현

가상현실 디스플레이는 위에 서술한 얇은 렌즈 공식에 의해 디스플레이(물체)를 렌즈의 초점거리보다 가까운 거리에 고정시킴으로써, 실제 디스플레이 깊이 보다 이미지가 더 멀리 있는 것처럼 느끼게 유도함과 동시에 렌즈에 의해 왜곡된 이미지를 보정한 양안 시차가 있는 이미지를 디스플레이에 렌더링하여 안구로 투사하는 방식입니다. 이때 우리 뇌는 그 이미지들을 하나로 합성하게 되면서 양안 시차에 의한 3D 입체감을 느낄수도 있습니다. 이러한 가상 이미지를 '정립허상'이라 하며, 디스플레이의 이미지를 확대된 가상 이미지로 넓은 시야각으로 본다고 생각하면 됩니다.

가상현실(VR) 디스플레이에 필요한 성능과 특징은?

VR 기기를 통해 우리 눈에 보이는 확대된 가상 이미지의 해상도가 낮으면 마치 이미지를 볼 때 모기장을 통해서 보는 것 같은 불편함이 인지됩니다. 따라서, VR에서 화질을 향상시키기 위해서는 모기장 현상을 제거해야 하며, 따라서 고해상도 디스플레이는 VR 기기의 가장 중요한 성능 중 하나가 됩니다.

▲ 해상도에 따른 VR 화질 시뮬레이션

'모기장 현상(SDE, Screen Door Effect)'은 낮은 해상도를 크게 확대할 때 픽셀 사이의 간격이 벌어지면서 픽셀 사이에 존재하는 검은 영역인 BM(Black Matrix)이 우리 눈에 더 잘 띄게 되는 현상입니다. 이러한 모기장 현상은 우리 눈의 구조와 관련이 깊습니다. 사람 눈의 망막에는 원추세포(Cone Cell)와 간상세포(Rod Cell)라고 하는 시세포들이 분포되어 있고, 주로 망막 중심에 시세포가 많이 분포되어 있기 때문에 주시하는 이미지 영역을 주변시보다 더 선명하게 인지합니다. 특히 망막 중심부에서는 시각 정보에 대한 분해능력이 매우 높은데, 주변시 보다 약 1,000배 정도 더 선명하게 볼 수 있습니다. 참고로 시력이 1.0인 사람의 눈은 시야각 1도를 60개로 쪼갠 점(픽셀)을 분간할 수 있고, 이를 60PPD(Pixel Per Degree)라고 합니다.

VR용 디스플레이는 한쪽 눈에 사용하는 패널 기준으로 3.5인치 크기에 1640×1640 해상도 수준의 OLED 패널이 보편적으로 사용되고 있습니다. 이는 LCD에 비해 OLED의 명암비가 높고, MPRT(Moving Picture Response Time) 응답속도가 빨라서 화면 잔상(Motion Blur) 현상을 상대적으로 덜 느끼게 하는데 유리할 뿐만 아니라, 고속구동으로 이미지를 주사하여 게임과 같은 가상 콘텐츠를 보다 몰입해서 경험할 수 있도록 하기 때문입니다.

그러나 이 정도의 성능으로는 여전히 앞서 언급한 모기장 현상을 완벽히 제어하기에는 인지 해상도가 낮기 때문에 VR용 픽셀 밀도가 더 높은 패널이 필요합니다. 모기장 현상을 제어하기 위해서는 적어도 30PPD 수준의 가상 이미지 구현이 필요합니다. 이는 VR 대각 시야각 100도를 고려 했을 시, 2121×2121 이상의 해상도를 의미하며 HMD는 슬림 폼팩터를 고려하여 디스플레이의 사이즈는 2인치 수준으로 한정 할 경우, 대략 픽셀 밀도 1060 PPI의 고해상도 디스플레이가 필요하다는 결론을 얻을 수 있습니다.

보다 얇고 가벼운 VR 기기를 위해 주목 받는 광학 기술은?

HMD 디자인을 얇고 가볍게 할 수 있는 기술은 무엇일까요? 기본적으로 디스플레이의 사이즈가 작을 수록 좋지만 가상스크린의 사이즈를 크게 하기 위해서 디스플레이 사이즈를 무한대로 줄일 수는 없습니다. 따라서 VR 광학계를 얇고 가볍게 하여 슬림 HMD를 만드는 방향이 연구되고 있습니다.

기존 VR기기는 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 활용하여 가상 이미지를 구현하였습니다. 이러한 방식으로는 HMD 디자인을 가볍고 얇게 하는 것에 한계가 있습니다. 일반 볼록 렌즈로 개구수(Numerical aperture, NA값) 증가를 위해서는 재료 특성인 굴절률 값 또는 θ값을 증가 시켜야 합니다.

※ NA(개구수) = n(굴절률) × sinθ

굴절률은 재료의 특성으로 증가폭이 제한적이고, θ값은 증가 시 렌즈 두께 증가로 인한 렌즈수차(구면수차)가 발생하여 이미지 선명도를 떨어뜨립니다. 프레넬 렌즈는 이러한 볼록 렌즈의 단점을 개선한 렌즈로, 렌즈의 두께를 얇게 만들 수 있고, 렌즈수차를 낮출 수는 있지만 이 역시 기존 볼록 렌즈를 기반으로한 광학계이기에 이미지가 선명도 및 슬림 폼펙터 구현에 한계가 있어 사용자가 요구하는 폼팩터로 줄이기는 마찬가지로 어려움이 있습니다.

▲ Pancake Lens를 적용한 HMD 기술 비교

반면에, 실용적인 반사 편광 기술을 이용한 'Pancake lens'는 HMD 폼펙터를 획기적으로 얇게 구현 할 수 있습니다. 하지만 해당 기술은 반투과 및 반사편광을 이용하기에 렌즈의 광 효율(약 15% 내외)이 매우 낮습니다. 때문에, 디스플레이의 휘도를 최대로 끌어올리기 위해 LCD 백라이트 기술로 휘도를 보상하는 기술을 이용하기도 합니다.

최근 VR제품은 Pancake lens를 활용해 예전 보다 1/2수준의 컴팩트한 디자인을 구현하고 고해상도 패널을 장착하여 PPD를 증가시키면서, 동적 센서 기술로 자유도(DOF, Degree of Freedom)를 증가 시키는 방향으로 VR 디자인과 성능이 진화함을 볼 수 있습니다.

가상디스플레이의 미래는 어디로 향할까?

올해 퀄컴社는 새로운 스냅드래곤 XR2를 이용하여 VR과 AR에 참고가 될만한 스탠드 얼론 타입의 디자인을 선보였습니다. 한쪽 눈에 디스플레이 해상도 2K × 2K, 주사율 90Hz를 구동 하면서, 7개의 카메라를 동시에 사용할 수 있는 XR2 칩셋을 선보였고, 이는 가상현실을 보다 현실적인 구현 해줄 것으로 기대하게 만들었습니다.

머지않아 사용자 위치를 기반으로 주변 공간을 보다 정확하게 인식하고 사람 눈과 손동작 같은 행동을 적극적으로 반영하는 센서 기술의 고도화, 그리고 5G 생태계에서 매력적인 콘텐츠와 융합되면, 초고해상도 디스플레이를 장착한 혁신적인 폼팩터로 영화 속 장면에 등장하는 가상현실을 구현할 수도 있을 것으로 기대합니다.