삼성 디스플레이의 미래 VR 및 AR 디스플레이: 사용자 경험 개선 리포트

https://sid.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msid.1378

https://www.reddit.com/r/AR_MR_XR/comments/11yyyk3/advanced_vr_and_ar_displays_improving_the_user/

참고할만한 이전 글:

AR / VR 디스플레이와 렌즈의 기술과 미래 관점 - https://arca.live/b/vrshits/39074299

초록
VR/AR 장치가 잠재력을 최대한 발휘하려면 인간의 시각 시스템과 일치할 수 있는 사용자 친화적인 근안 디스플레이가 필요하며 동시에 마이크로 디스플레이의 기능도 향상되어야 합니다.

Covid-19 팬데믹은 실제 세계와 가상 세계에서 향상된 사용자 경험에 대한 요구를 가속화했습니다. 가상·증강현실(VR/AR) 기술을 구현할 수 있는 고해상도 디스플레이에 대한 수요가 지속되고 있으며 빠르게 증가하고 있습니다.

최근까지 VR/AR 시장은 비인체공학적 디자인, 부족한 네트워크 생태계, 열악한 화질, 효과적인 앱 콘텐츠 부족 등으로 만족스러운 AR/VR 경험이 어려웠습니다. 지금까지의 큰 발전에도 불구하고 인간의 시각 시스템과 일치하고 높은 사용자 기대치를 충족할 수 있는 사용자 친화적인 근안 디스플레이(NED) 시스템을 개발하는 데는 많은 장애물이 있습니다.

이러한 문제에 대한 가능한 해결책을 제시하기 위해 이 글에서는 사용자가 3차원(3D) 세계 또는 메타버스에서 가상 객체를 대화식으로 경험할 수 있는 VR/AR 기술을 검토합니다. 저자는 사용자가 메타버스에서 현실감을 능동적으로 경험할 수 있도록 하는 VR/AR 디스플레이, 광학 요소 및 디스플레이 엔진을 개발하기 위한 접근 방식을 검토합니다.

몰입형 IT로 보는 비전

고해상도 디스플레이와 광학적 요소가 결합된 VR/AR 기기는 3D 디지털 인터랙티브 세상을 만들 수 있는 차세대 IT 플랫폼으로 부상했습니다. VR 시스템을 통해 사용자는 그림 같은 풍경을 경험하고 몰입할 수 있습니다( 그림 1a ) . AR 시스템에는 합성 3D 개체가 AR 안경을 통해 보이는 현실 세계의 증강 보기에서 표시되고 적절하게 렌더링되어야 한다는 추가 요구 사항이 있습니다( 그림 1b ) .

그림 1

(a)는 VR, (b)는 AR 제품들의 광학 구조 및 디자인 구성을 설명합니다.

VR과 AR은 패러다임과 요구 사항이 다르지만 둘 다 인간 시각 시스템의 특성에 대한 이해가 필요합니다. VR/AR 디스플레이는 인간의 눈에서 가까운 거리에 위치해야 하며 렌더링된 이미지(장치의 2D 또는 3D 정보)는 확대경에서 눈으로 전송되어야 합니다. VR/AR 시스템에서 직면한 궁극적인 목표와 과제를 더 잘 이해하려면 인간 시각 시스템의 매개변수 성능을 조사해야 합니다.

세부 사항 및 기술적 충돌 인식

인간의 시력은 육안으로 작은 세부 사항을 정확하게 인식하는 사람의 능력을 평가하는 기술 용어입니다. 완벽한 시야(20/20 ft., 6/6 m) 및 1 arcmin은 60 PPD(pixels per degree)에 해당합니다. VR/AR 시스템에서 디스플레이의 2D 해상도는 광학 장치의 3D 공간에서 각도 해상도로 변환됩니다. 이 해상도는 디스플레이의 해상도가 고정되어 있다면 시야각(FoV)과 트레이드 오프 관계가 있는 PPD로 측정할 수 있습니다. 90도 FoV에 대한 디스플레이 크기 및 픽셀 밀도 측면에서 20~60 PPD의 PPD 경향을 나타냅니다. PPD가 충분히 높지 않으면 시청 경험을 방해하는 SDE(스크린 도어 효과)가 발생합니다. 이러한 기술적 충돌을 극복하기 위해 연구원들은 여러 유형의 고해상도 마이크로디스플레이를 제안했습니다.

고정된 90도 시야(FoV)의 경우 다양한 PPD(픽셀/도)에 대한 디스플레이 크기 대 픽셀 밀도(인치당 픽셀, PPI). 현재 VR 제품의 PPD는 ~20–30입니다.

시각적 어려움 완화

깊이 신호는 생생한 3D 경험을 달성하기 위한 또 다른 중요한 매개변수입니다. Vergence는 단일 양안 시력을 유지하기 위해 두 눈이 반대 방향으로 자연스럽게 회전하는 것입니다. 조절에는 눈의 수정체 움직임을 동시에 조정하여 이미지의 초점을 맞추는 것이 포함됩니다.

자연광 조건에서 물체를 볼 때 이향운동과 순응은 시각 시스템에서 서로 상호 작용하고 동일한 깊이에서 정보를 인식하기 때문에 중립적으로 결합됩니다. AR 또는 VR 디스플레이를 볼 때 고정 이미지 평면이 의도한 3D 이미지의 실제 깊이와 일치하지 않는 경우가 많습니다. 관찰자의 눈은 물리적 또는 가상 이미지 평면까지의 거리에서 초점을 유지하는 반면, 관찰자의 안구는 왼쪽 및 오른쪽 눈 이미지를 수렴하기 위해 회전합니다. 이는 관찰자의 자연스러운 시각 처리 시스템에서 충돌을 일으키고 VR 시스템에서 고정된 평면에 표시된 가상 객체를 볼 때 수렴-조절 불일치(VAC)로 정의되는 현상으로 이어집니다.

수렴-조절 불일치의 구성.

VAC는 시각적 피로와 두통의 원인으로 잘 알려져있습니다. 이 VAC 현상은 사용자가 실제와 같은 VR/AR 경험을 하는 것을 방해하여 시각적으로 유발되는 멀미(VIMS)를 유발하는 경우가 많습니다. Percival과 Sheard의 편안한 영역은 VAC를 완화할 수 있습니다. 다초점 또는 가변초점 렌즈 기술을 이용하여 이향과 순응 거리의 차이를 0.5디옵터 이하로 최소화하여 눈의 피로와 VIMS를 줄일 수 있습니다. 따라서 VAC를 완화하고 자연스러운 3D 세계에서 몰입감을 높일 수 있는 혁신적인 광학 요소를 개발해야 합니다.

잠재적인 솔루션으로의 진출

Meta는 최근 Quest 2에 이어 Quest Pro라는 VR/혼합현실(MR) 기기를 출시했습니다. 90Hz 재생 빈도의 2.48인치 액정 디스플레이(LCD)에 1,058 PPI(pixels per inch)와 22 PPD의 눈당 ~2,000 픽셀을 채택했습니다. 향상된 이미지 품질과 감소된 폼 팩터는 팬케이크 렌즈라고 하는 편광 기반 폴딩 광학을 사용합니다. 그러나 이전 제품에 대한 개선 여부와 관계없이 시각적 피로를 유발하는 SDE 및 VIMS와 같은 중요한 문제가 남아 있습니다.

시각적 피로와 폼 팩터 문제를 해결하기 위해 VR/AR 시스템에 소형 고해상도 디스플레이 패널을 적용하고, 보다 선명한 색상 볼륨, 보다 높은 휘도, 보다 빠른 프레임 속도를 적용하려는 노력이 진행되고 있습니다. 이러한 조치는 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하는 마이크로디스플레이의 급속한 성장을 가속화했습니다. Si-CMOS(Silicon Complementary Metal-Oxide Semiconductor)는 캐리어 이동도가 높고 선폭이 좁아 구동 회로의 활성 영역을 최소화할 수 있어 마이크로 디스플레이의 픽셀 밀도를 높일 수 있습니다.

옵션 비교

유리 기판을 기반으로 하는 LCD 및 OLED와 비교하여 microLED, micro-OLED, LCoS(liquid crystal-on-silicon), DMD(digital micro-mirror device) 및 LBS(laser beam scanning)와 같은 Si 기반 마이크로 디스플레이 VR/AR 시스템의 주요 성능 요구 사항을 충족하는 데 더 효율적입니다. 그림 4는 픽셀 밀도, 휘도, 명암비, 디자인의 소형화, 색 영역, VR/AR 애플리케이션의 기술 성숙도 등 6가지 주요 평가 기준 측면에서 마이크로디스플레이 기술을 비교합니다.

VR/AR 애플리케이션에 대한 6가지 평가 기준에 따른 마이크로디스플레이 기술 비교. CF: 컬러 필터; LCoS: 액정-온-실리콘; WOLED: 백색 OLED.

Si 기반 마이크로 디스플레이의 소형 폼 팩터는 VR/AR 장치를 사용자에게 더욱 매력적으로 만듭니다. 컴팩트한 VR 시스템을 구현하기 위해 하프 미러와 편광 구성으로 구성된 팬케이크 렌즈가 일반적으로 채택되지만 광학 효율이 낮습니다. 최근 Limbak은 다중 채널 렌즈를 사용한 라이트 폴딩 방식을 사용하여 향상된 효율성을 시연했습니다. 7 자체 발광하는 micro-OLED 및 microLED 장치는 일반적으로 조명 광학 장치가 필요하지 않기 때문에 LCoS 및 DMD 장치보다 더 작습니다. 따라서 이러한 장치는 미래의 VR/MR/AR 디스플레이를 위한 강력한 후보입니다.

VR 디스플레이는 폼 팩터와 SDE를 줄이기 위해 마이크로 OLED 기술을 사용하기 시작했습니다. Micro-OLED 디스플레이는 컬러 패터닝 방식에 따라 RGB(Red, Green, Blue) 컬러 필터(CF)가 적용된 백색 OLED(WOLED)와 패턴이 적용된 RGB OLED의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. WOLED 마이크로디스플레이에서 CF는 방출된 빛의 ~60-70%를 흡수하여 휘도를 제한합니다. 멀티스택 탠덤 소자 구조는 더 높은 휘도를 얻기 위해 채택되나, 더 높은 구동 전압이 필요하다. CF 대역폭을 OLED 방출 스펙트럼과 일치시키고 CF에서 마이크로 렌즈 어레이(MLA)를 사용하여 휘도를 높일 수 있습니다. 3 , 6 RGB 마이크로 OLED에서 분리된 RGB 서브픽셀 구조에서 나오는 빛은 풀 컬러 디스플레이에 적합한 파장을 생성합니다(그림 5 ).

AR/VR 애플리케이션을 위한 디스플레이 기술 동향. 높은 픽셀 밀도(약 60 PPD)의 적, 녹, 청(RGB) 마이크로 OLED 디스플레이와 6,000PPI 이상의 고휘도를 갖는 일체형 RGB 마이크로 LED 디스플레이는 VR 또는 AR 장치에서 몰입형 경험을 제공할 것입니다.

CF가 필요 없기 때문에 낮은 소비전력으로 높은 휘도를 구현할 수 있지만 높은 PPI 패널을 만드는 것은 어려운 일이다. 미세 금속 마스크(FMM)를 사용하여 분리된 RGB 서브픽셀의 정의된 영역에 유기 재료를 증착해야 합니다.

증착 공정 중 그림자 효과 때문에 10μm 픽셀 피치 미만의 마이크로 디스플레이에 현재 FMM 기술을 적용하는 것은 어렵습니다. eMagin의 Amal Ghosh와 동료들은 dPd(direct-patterned display) 기술이라고 하는 non-FMM을 도입하고 1,920 × 1,200 픽셀 CMOS 백플레인에 구축된 2,645 PPI 해상도의 RGB 마이크로 OLED 디스플레이를 시연했습니다.

AR 디스플레이의 경우 가장 중요한 매개변수는 밝기와 안경과 같은 디자인입니다. 왜냐하면 AR 디스플레이는 광학적 시스루 구성에 채택되기 때문입니다. AR 디스플레이의 기본 구성에는 디스플레이 장치, 확대 광학 장치 및 디지털 콘텐츠를 실제 세계에 중첩시키는 결합기가 포함됩니다( 그림 1 ) . 따라서 주변 명암비(ACR)는 AR 시스템에서 더 나은 이미지 품질을 달성하기 위한 중요한 매개변수입니다.

AR 디스플레이용 MicroLED의 기술적 문제

우수한 시스루 디스플레이 기능을 제공하기 위해 AR 디스플레이는 낮은 전력 소비를 유지하면서 고해상도 및 고휘도 특성을 가져야 합니다. 웨어러블 장치에서는 휴대성과 긴 배터리 수명이 중요하기 때문입니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해서는 수 마이크로미터 규모의 칩 크기를 가진 고효율 RGB 마이크로 LED 개발이 필수적입니다.

불행하게도 microLED는 표면 상태에서 비방사 재결합 손실로 인해 칩 크기가 줄어들면서 비효율적이 됩니다. 높은 표면적 대 부피 비율은 이러한 효과를 더욱 중요하게 만듭니다. 최근에 우리는 적절한 측벽 패시베이션 구조 및 방법을 사용하여 표면 결함을 최소화함으로써 크기에 따른 외부 양자 효율(EQE) 감소 문제를 완화할 수 있음을 입증했습니다.

또 다른 문제는 빨간색 microLED가 파란색 및 녹색 장치에 비해 EQE가 훨씬 낮고 전류 밀도가 증가함에 따라 파장 이동이 크다는 것입니다. InGaN LED에서 청색 및 녹색 LED에 비해 적색 방출을 구현하려면 더 높은 인듐 함량이 필요합니다. InGaN 화합물의 증가된 인듐 농도는 다중 양자 우물(MQW)에서 격자 불일치 및 압전 전위를 유발하며, 이는 양자 구속 스타크 효과(Quantum-confined Stark Effect, QCSE)로 인해 필연적으로 파장 이동을 야기합니다.

microLED의 경우 전류 밀도에 따른 EQE 드룹(droop) 및 파장 이동(wavelength shift) 때문에 OLED 디스플레이에서 전류량을 통해 휘도 및 계조를 제어하는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 구동 방식은 microLED 디스플레이에 적합하지 않다. 보다 효과적인 방법은 전류 밀도를 고정하고 전류 주입 시간을 조절(펄스 폭 변조, PWM)하여 휘도를 제어하는 것입니다. 특히 이 방법은 적색 마이크로 LED의 파장 편이 문제를 해결할 수 있다. 낮은 전류 밀도에서 고효율의 소자를 개발하고 최적화된 픽셀 구동 회로와 결합하면 고화질과 저전력을 달성해야 합니다.

RGB LED는 여전히 다른 웨이퍼에서 에피택셜 성장에 의해 제조됩니다. 여러 연구 그룹과 기업에서 단일 웨이퍼에 RGB를 구현하기 위해 단면 RGB와 적층형 수직 RGB를 개발하고 있지만 양산에 적용할 만큼 기술이 성숙된 것은 아니다. 따라서 첫 번째 단계에서는 광학 결합기를 사용하여 3개의 RGB 패널을 상용화하고, 다음 단계에서는 일체형 RGB 패널을 사용한 AR 제품이 개발될 것으로 예상됩니다( 그림 5 ).

AR 디스플레이용 도파관

도파관은 AR 장치를 유리와 같은 폼 팩터로 만드는 핵심 구성 요소입니다. 10 목표는 도파관 결합기를 통해 디스플레이에서 눈으로 빛을 효율적으로 투사하는 것입니다.

먼저 디스플레이의 빛이 인커플러 앞에서 시준됩니다. 인커플러는 광원에서 모든 시준된 빛을 수집하는 데 매우 효율적이어야 합니다. 둘째, 입력 격자에 의해 결합된 빛이 회절되어 내부 전반사(TIR) 조건을 만족한다. 마지막으로, 빛은 폴딩 및 아웃 커플링 격자를 만났을 때 빛의 강도를 조절하여 유리 밖으로 커플링됩니다. 이러한 과정을 통해 빛이 유리에서 부분적으로 균일하게 결합될 수 있으며 EPE(출사동 확장)를 높이는 데 도움이 됩니다.

현재 세 가지 주요 회절 커플러 유형인 SRG(표면 릴리프 격자), PPG(광 중합체 격자) 및 액정 격자(편광 체적 격자(PVG)로 알려짐)가 개발되었습니다( 표 1 ) . 그들은 얇은 폼 팩터를 만드는 데 도움이 되지만 VR 및 AR에서 VAC, FoV 증가, 아이박스 및 광학 효율성과 같은 여전히 큰 과제가 있습니다. 광학 요소 및 마이크로 디스플레이의 현재 상태에 관한 이러한 세부 정보는 VR/AR 디스플레이를 설계하는 동안 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 것입니다.

표 1. 세 가지 개발된 도파관 격자 기술에 대해 자세히 설명합니다.

도파관	표면 릴리프 그레이팅(SRG)	광중합체 격자(PPG)	편광 체적 격자(PVG)
격자 특성	나노임프린팅 복제 기울어진 특징	간섭 노출 상분리	브래그 격자 LC 광정렬 자기 조립
장점	높은 인덱스 변조 스펙트럼/각 대역폭	우수한 시스루 품질 간단한 프로세스	복굴절 소재 고효율 편광 선택성
단점	대량 생산의 어려움	높은 스펙트럼 선택성 좁은 FoV	색수차
아키텍쳐
회사	마이크로소프트, 매직 리프, Dispelix, 소니	디지렌즈

결론

디지털 세계에서 상호 작용하려는 욕구는 지난 몇 년 동안 점차 커졌습니다. 그러나 Covid-19는 기대와 요구를 가속화했습니다. 직장, 사생활, 엔터테인먼트, 의료 분야에서 VR과 AR을 사용하는 사람들의 수가 사회적 거리두기와 봉쇄 정책으로 인해 급격히 증가했습니다. 이로 인해 일상에서 VR/AR을 경험하고 3D 메타버스에서 상호 작용할 수 있는 기회가 늘어났습니다. 소형 폼 팩터와 높은 픽셀 밀도를 갖춘 고성능 디스플레이 장치에 대한 요구도 증가했습니다. 이러한 기대에 부응하기 위해 마이크로 OLED 및 마이크로 LED와 같은 새로운 마이크로 디스플레이는 새로운 광학 요소(예: 편광 기반 광학요소 및 도파관)을 함께 사용하여 보다 인체공학적인 설계, 높은 피크 밝기 및 우수한 신뢰성을 갖춘 VR/AR 장치를 렌더링할 수 있는 가능성을 제공할 것입니다.