메타버스는 가공, 초월을 뜻하는 ‘Meta’와 세계를 의미하는 ‘Universe’의 합성어로, 현실과 가상 세계가 상호작용을 통해 서로 융합·공진해 새로운 가치 문화 경제 활동이 발생하는 초월적 공간이다.
메타버스의 기술은 다음 4가지로 흔히 구분하고 있다. 첫째로, VR(가상현실)은 사용자를 가상의 환경으로 데려가 실제로 벌어지는 것과 같은 경험을 하도록 만들어주는 기술로서 현실 세계와 비슷할 수도 있고, 창조된 상상의 경험일 수도 있다.
두 번째, AR(증강현실)은 현실 세계에 가상 정보를 혼합해 구현하는 기술로서 실제 세상의 모습 위로 디지털콘텐츠를 띄우는 기술이다.
세 번째, MR(혼합현실)은 여러 카메라와 센서를 활용해 현실 세계를 포착한 뒤 그것을 눈앞의 화면에 투사하는 방식으로, AR과 VR의 장점을 한데 모은 기술로서 보다 현실적이고 새로운 사용자 경험을 제공한다.
네 번째, XR(확장현실)은 VR, AR, MR을 포함한 기술로, 향후 메타버스가 XR을 중심으로 발전하는 생태계가 될 것이라 예상된다. 향후 혁신적인 사용자 경험을 제공할 수 있는 기술로 차세대 컴퓨팅 플랫폼으로 자리잡을 것이다.
XR 기기용 디스플레이로 사용되는 것은 마이크로 디스플레이다. 마이크로 디스플레이는 화면 크기 1인치 이하의 디스플레이에 광학계를 통한 영상 정보를 전달한다. 마이크로 디스플레이의 경우, 고해상도를 매우 작은 영역에 구현해야 하므로, 기존 디스플레이에 사용되는 유리 기반 백플레인¹⁾ 대신에 실리콘 기판 위에 CMOS 백플레인을 사용하고 있다. 마이크로 디스플레이는 동작 방식에 따라 반사형, 투사형, 자발광형으로 분류할 수 있다. 반사형은 반사면의 특성을 변화시켜 외부로부터 입사되는 광을 변조시키고, 광원이 마이크로 디스플레이 패널 앞쪽에 존재해 이미지를 반사시켜 보는 형태로 LCoS(Liquid Crystal on Silicon)와 DMD(Digital Micromirror Device)가 대표적이다. 투과형은 입사되는 광이 패널을 통과하면서 변조되는 방식을 이용하는 것으로 기존의 LCD와 거의 동일한 구조를 가진다. 자발광형은 디스플레이 스스로 빛을 생성해 별도의 광원이 불필요한 형태로 OLEDoS(OLED on Silicon)와 LEDDoS(LED on Silicon)가 있다.

1) 백플레인 : 스위치나 경로 지정기 등의 장비에서 데이터의 버스 구조를 형성하는 전자 회로의 판

XR 기기용 디스플레이의 주요 구성요소 및 기술은 다음과 같다.
첫 번째는 마이크로 디스플레이로, 초실감 정보를 전달하기 위한 고해상도·고속 재생 기술이 필요하다. 고해상도 디스플레이 디바이스의 필요성을 살펴보면, 사람의 시각 분해능인 60 PPD(Pixels Per Degree) 수준의 고화질 영상을 약 70도 정도의 화각에 구현하기 위해 4K-UHD 해상도가 요구된다. 완전 몰입감을 제공하는 120도 이상의 화각 구현을 위해서는 8K-UHD 수준의 고해상도 구현이 필수적이다. 또한 고속 재생 기술은 120Hz 이상의 높은 화면 재생률을 통해 이미지 입력의 조절 속도를 빠르게 하여 어지러움을 줄일 수 있다.
두 번째로, 광학으로 초실감 디스플레이를 구현하기 위한 소형 광시야각 광학 구조 설계 기술이 필요하다. 눈이 인식하는 가상 이미지의 왜곡·색수차·시차와 같은 화질 문제와 시야각과 같은 기하학적인 특성, 수렴-초점 불일치로부터 기인한 어지러움 문제, 작은 폼팩터의 광학계 설계 기술 등 사용자 편의성 향상을 증가시킬 수 있다.
세 번째는 센서로 메타버스 디바이스에서 컴퓨터와 상호작용하기 위한 입력 장치가 필요하다. 카메라로 주변을 감지하고 손과 몸을 트래킹해 아바타의 표정·몸짓·움직임을 그대로 가상 세계로 옮기고 그 안에서 실제처럼 듣고 말할 수 있어야 한다. 또한 눈의 방향, 머리의 움직임, 위치 등 사용자의 상황을 가상 세계의 상황과 실시간으로 완벽하게 일치시켜야 한다. 여기에 정확한 컨트롤러의 입력과 의도를 반영하고 제어하는 기술이 필요하다.
네 번째로, 메모리·시스템 반도체로 대용량의 가상 정보를 처리하기 위한 메모리·시스템 기술이 필요하다. 스마트폰 AP의 성능을 뛰어넘고 고화질의 콘텐츠를 구현할 수 있는 고성능 시스템 반도체가 요구되고 카메라 모듈과 3D 센싱 모듈의 증가로 인해 기존의 정보보다 최소 2~3배 이상의 가상 정보 처리를 위한 더 많은 저장공간이 필요하므로 대용량의 메모리가 요구된다.
다섯 번째로, 통신으로 개인과 개체들을 연결하기 위한 초고속, 초저지연 통신 기술이 필요하다. 메타버스 콘텐츠와 상호 작용하는 사용자 데이터를 송수신하기 위한 5G 모바일 엣지 컴퓨팅(서비스 이용자와 가장 가까운 기지국에 소규모 데이터센터를 별도로 배치해 초저지연 통신을 제공하는 기술), 사물인터넷 등 네트워크 기술도 중요하다.

국내외 XR 기기 제품은 <그림1>과 <그림2>와 같다. 먼저 해외의 경우, 마이크로소프트는 2019년 기업용 AR 글래스인 ‘Hololens2’를 출시해 NASA과 에어버스 등 주요 기업에 공급했으며, 핵심 부품인 Holographic Processing Unit(HPU)과 전용 OS 플랫폼인 Windows Holographic을 개발 및 탑재해 XR 생태계 전반에 걸쳐 기술개발을 추진 중이다.
애플은 2020년 10월 AR 기능을 지원하고자 라이다(LiDAR) 센서를 탑재한 ‘아이폰12 프로’를 출시했으며, iOS 기반 플랫폼에서 AR 콘텐츠 저작에 활용할 수 있는 AR 저작도구 ARkit를 개발했다. 2023년에는 WWDC를 통해 AR 글래스 Vision Pro를 출시했다. 디바이스부터 서비스 플랫폼까지 XR 생태계 전반에 주도권을 잡고자 노력 중이다. 애플의 Vision Pro는 메타버스용 디바이스 기술의 3세대에 해당한다. 이번에 공개된 Vision pro는 3D 형태의 콘텐츠를 제공하지만 입체영상(다시점/다초첨)을 구현하지 못해 3세대 제품으로 분류되며, 4세대 이후부터는 대학·연구소 및 스타트업 기업 등에서 연구하고 있는 입체영상 구현과 자연스러운 인터랙션 기능 구현이 가장 핵심적인 기술이 될 전망이다.
구글은 2010년대 초반부터 일반 소비자용 AR 글래스를 개발해 왔으며, 2019년 초 기업용 ‘구글글래스2’를 출시하였다. 2020 년 6월 AR 글래스 업체인 North를 인수하고 최근 AR 글래스 개발 가속화 안드로이드 기반 AR 저작도구인 ARcore를 출시함으로써, 구글 역시 마이크로소프트, 애플과 같이 XR 생태계 주도권을 잡기 위해 노력 중이다.
밝은 시장 전망에도 불구하고 국외 개발사가 대부분 점유하고 있는 AR 디바이스 시장은 경량화·고시야각을 지향하고 있으며, 이를 위해 플라스틱 소재의 광학계를 채택하고 있다. 하지만 높은 디바이스 가격, 부족한 콘텐츠, 하드웨어 한계, 소비자 인식 부족 등으로 극히 제한적인 시장이 형성되어 있다.

국내에서는 소수의 중소·중견 기업을 중심으로 XR 글래스의 상용화를 위한 기술개발이 이루어지고 있으며, 해외 전시회 참가 등을 통해 기술력을 홍보하고 사업화를 진행하고 있는 단계다.
상용화 단계에 접어든 국내 광학 기술은 주로 Bird-bath형 기술로 반거울 소자가 큐브형태의 광학 매질 안에 매립된 형태며, 영상의 화각에 비례해 광학계의 두께가 두껍고 외부광을 절반 이상 감쇄시키는 저투과 구조라는 한계점을 지니고 있다.
레티널(LetinAR)은 Pin-mirror에 기반해 얇은 두께로도 넓은 화각을 제공할 수 있는 독자적인 광학 기술을 개발 중이나, AR 렌즈의 전면부에서 관측되는 닷(Dot) 배열 형태의 Mirror 패턴이 이질감을 야기할 수 있다.
사용자 위치추적 및 인터페이스, 렌더링 등의 AR 프로세싱을 위한 프로세서는 100% 외산에 의존하고 있으며, 프로세싱 보드및 배터리의 부피와 무게로 인해 주로 XR 디바이스 외부에서 프로세서를 연결하는 테더링 타입을 채택하는 실정이다.
국내 대부분 XR 개발사 또한 고가의 해외 제품을 벤치마킹하고 있으나 이마저도 양산 설비와 기술이 부족해 중국에 생산 위탁하는 실정이다.

XR 기기용 광학 컴바이너는 <그림3>과 같이 크게 반거울(half mirror) 또는 프리즘을 이용한 반사 방식, 전반사 도파로(waveguide) 방식, 회절광학소자(DOE), 홀로그래픽광학소자(HOE)와 같은 회절광학소자를 이용한 회절 도파로 방식, 점거울(pin-mirror)을 이용한 반사방식으로 분류된다.

반거울 또는 프리즘을 이용한 반사방식은 디스플레이 소자에 표시된 영상 정보를 반거울 또는 프리즘에 반사시켜 주변광과 함께 사용자의 눈에 전달하는 가장 기본적인 방식으로, 50%에 가까운 광효율을 구현 가능하나 부피가 크다는 단점이 있다.
이에 따라 반거울 또는 프리즘을 이용한 반사방식은 구글글래스와 같은 초기형 XR 기기에 적용됐다.
반사 도파로 방식은 디스플레이 소자로부터 표시된 영상 정보를 전반사 현상을 이용해 사용자의 동공 방향까지 전달하는 방식으로, 상기 반거울 또는 프리즘 방식보다 부피를 작게 제작 가능하다는 장점이 있다. 그러나 반사 법칙을 만족하는 경로로만 광선이 진행할 수 있어 원하는 방향으로 광경로를 설정하려면 구조가 복잡해진다는 단점도 있다.

회절광학소자를 이용한 도파로 방식은 도파로의 입사부/출사부에 회절광학소자를 적용하고, 반사 법칙으로는 불가능한 방향으로 광경로를 변화시킴으로써 반사 도파로 대비 간단한 구조를 구현할 수 있다. 그러나 회절현상을 이용하기 때문에 R/G/B 파장에 따라 광경로와 광효율이 달라져 색수차 현상에 취약하다.
점거울 방식은 사용자가 인지하기 어려울 정도로 작은 크기의 점거울을 이용해 디스플레이 패널에 표시되는 영상을 반사시켜 사용자의 눈에 전달하는 방식으로, 반거울이 아닌 거울을 사용하기 때문에 이론상 100%에 근접하는 매우 높은 광효율을 가진다. 그러나 점거울 하나로 구현할 수 있는 시야 범위가 좁다는 문제점이 있어 이를 보완하고자 여러 개의 점거울로 구성된 어레이를 형성하는 방법을 사용한다. 상기 점거울 방식을 적용한 XR 기기는 아직 출시되지 않았으나, 레티널에서 위 방식을 이용한 XR 기기 시제품을 제작하고 국내외 전시회를 통해 지속적으로 선보이고 있다. 특히 레티널은 XR 기기 관련 광학계를 공급하는 회사 중 유일하게 국내에서 설립된 스타트업 기업이다.

위와 같은 광학 컴바이너 기술 외에도, 보다 자연스러운 XR 영상을 구현하기 위해 다초점 광학계, 라이트필드/홀로그래픽 디스플레이 기술을 적용하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 높은 몰입감이 있는 XR 영상을 제공하기 위해 고해상도·고주사율 디스플레이 패널을 사용하고 가상 현실 영상 렌더링 속도를 높여 영상 지연을 최소화하는 방향으로 기술개발이 이루어지고 있으며, 현재 출시된 XR 기기 제품의 동향은 다음과 같다.
디스플레이의 성능을 향상시킨 오큘러스 리프트(Oculus Rift) S가 있다. 제조사에 따르면 해당 제품은 사용자의 각 눈에 1280x1440의 해상도와 80㎐의 주사율을 갖는 영상을 115°의 시야 범위로 제공할 수 있다. 오큘러스에서는 상기 제품과 함께 오큘러스 퀘스트도 출시했다. 이는 기존의 XR 기기와 달리 PC에 연결할 필요 없이 XR 콘텐츠를 즐길 수 있는 독립형 제품으로 사용자의 각 눈에 1440x1600의 해상도와 72㎐의 주사율을 갖는 영상을 제공할 수 있다.
세계 최대 게임 온라인 유통 플랫폼인 스팀(Steam)을 운영 중인 Valve에서도 ‘Valve Index’라는 제품명으로 XR 기기를 출시했다. 제조사에 따르면 해당 제품은 사용자의 각 눈에 1440x1600의 해상도와 최대 144㎐의 주사율을 갖는 영상을 최대 130°의 시야 범위로 제공할 수 있다.
파이맥스(Pimax)에서는 사용자의 각 눈에 각각 4K(3840x2160) 해상도와 90㎐의 주사율을 갖는 영상을 200°(H)x120°(V)의 시야 범위로 제공할 수 있는 Pimax 8K 가상 현실 헤드셋을 선보였다. 해당 제품은 현재까지 출시된 XR 기기 중 가장 높은 스펙을 갖고 있어 많은 관심을 받고 있다.
국내에서는 5G 네트워크의 상용화에 맞춰 이동통신 회사를 중심으로 XR 기기 및 콘텐츠 보급이 이루어지고 있다. KT는 Pico G2 4K, Pico G2라는 이름으로 두 종류의 독립형 XR 기기를 출시했다. 두 제품은 각각 3840x2160, 2880x1600의 해상도와 75㎐, 90㎐의 주사율을 갖는 영상을 제공할 수 있다. 모두 동일한 영상 처리 능력을 갖춘 프로세서(퀄컴 스냅 드래곤 835)를 사용하고 있어 해상도를 높인 대신 낮은 주사율을 갖는 Pico G2 4K 모델과 주사율에 중점을 두고 보다 낮은 해상도를 채택한 Pico G2 모델로 투트랙 전략을 채택한 것으로 보인다.

IEC/TC 110(전자 디스플레이)은 전자 디스플레이 관련 구성요소의 표준화 작업을 수행하고 있다. 우리나라를 포함한 24개 회원국과 10개 참관국으로 구성되어 있다. 세부적으로는 9개 워킹그룹, 1개 프로젝트 팀, 1개의 유지보수 팀으로 구성되어 있고, 전략 및 프로젝트 할당을 위한 2개의 자문위원회가 구성되어 있다. 이 외에도 특수적용을 위한 전자 디스플레이 특별위원회가 존재한다. 현재 중국이 의장을, 일본이 간사를 맡고 있으며, IEC/TC 100에서 XR용 디스플레이 관련 표준을 진행하고 있는 기구는 WG 12다.

VR/AR 공통 측정법, AR 고유 측정법, VR 고유 측정법의 3가지 분야에 대해 두 가지 분야(optical property, image quality)를 나누어서 표준화 로드맵을 작성하였다. <표2>는 현재 WG 12에서 제정된 표준과 진행되고 있는 표준을 나타낸 것이다.

IEC TR 63145-1-1:2018 기술 보고서는 안경형 디스플레이 표준화를 위한 일반 정보를 제공한다. 이 문서에는 기술 개요, 중요 성능 특성, 광학 측정 문제 및 기타 정보가 포함되어 있다.
IEC 6345-1-2:2022는 AR, VR, MR 및 이러한 디스플레이의 이미지 또는 비디오 렌더링을 위한 안경 디스플레이 분야에서 사용되는 용어를 제공한다.
IEC 6345-20-10:2019는 안경형 디스플레이의 광학적 특성을 결정하기 위한 표준 측정조건 및 측정방법을 규정한다. 이 문서는 가상 이미지 광학을 사용하는 비시스루 유형(VR 고글) 및 시스루 유형(AR 안경)에 적용되며, 콘택트렌즈형 디스플레이 및 망막 직접 투영 디스플레이는 본 문서에서 다루지 않는다.
IEC 6345-20-20:2019는 안경형 디스플레이의 영상 품질을 결정하기 위한 표준 측정조건 및 측정방법을 규정한다. 이 문서는 가상 이미지 광학을 사용하는 비시스루 유형(VR 고글) 및 시스루 유형(AR 안경)에 적용되며, 콘택트렌즈형 디스플레이와 망막 직접 투영 디스플레이는 본 문서에서 다루지 않는다.
IEC 6345-21-20:2022는 VR 유형의 안경 디스플레이의 화질 측면 중 하나인 스크린도어 효과(SDE)를 결정하기 위한 표준 측정조건 및 측정방법을 명시한다.
IEC 6345-22-20:2020은 AR 안경 디스플레이의 시스루 광학 특성 및 영상 품질을 결정하기 위한 표준 측정조건 및 측정방법을 규정한다. 여기에는 안경 디스플레이의 투과 특성 및 주변 광학 성능이 포함한다. VR/AR 공통, AR 고유, VR 고유 측정법 이외의 측정법 제안을 위한 6개의 PWI가 진행중이다.
IEC/TC 100은 TV 등의 음향, 영상 기기의 표준을 담당한다. 우리나라는 최근 메타버스를 표준화 범위로 하는 WG 12와 Terminals for VR/AR/MR을 주요 범위로 하는 TAI/WGI를 제안해 디스플레이뿐 아니라 VR/AR 완제품의 표준화 작업을 추진하고 있다.
한편, 디스플레이와 사용이 사용자에게 미치는 영향을 다루는 인간공학 분과 ISO/TC 159/SC 4(인간-시스템 상호작용의 인간공학)에서 발간된 표준 문서는 VR과 관련된 내용을 포함하고 있다.

SID(Society for Information Display)는 전 세계의 기업체, 학교, 연구소의 전문가들이 참여하는 디스플레이 분야에서 가장 큰 규모의 국제 학회다. SID에서 활동하는 측정법 분야의 전문가들은 디스플레이 측정법을 연구하는 ICDM(International Committee for Display Metrology)을 구성하고 디스플레이 측정법 전반에 대해 다룬 IDMS(Information Display Measurement Standard)라는 단체 표준을 발간, 정기적으로 개정하고 있다.

Chap. 19 Near Eye Displays VR/AR, HMDs가 VR/AR 관련 내용을 포함한다. 예를 들어 아이박스(eyebox)라는 하나의 측정 항목에 대해, center luminance method, Michelson contrast method, draper method 등 여러 가지 방법이 기술되어 있다.

XR 기기는 현재의 경제 구조를 새롭게 재편할 수 있는 기회를 제공하고 있으며, 체계적이고 전략적인 기술 및 산업육성을 통해 우리나라의 미래 핵심 성장동력이 될 것으로 기대된다. 특히 XR 기기는 아직 상용화가 되어 있지 않지만, 조만간 의료·교육·국방·로봇·공장자동화·바이오 분석 등 다양한 산업 분야로 빠르게 확산해 우리나라 디스플레이 산업의 새로운 성장 기회를 제공할 것으로 예상된다.
XR 기기는 아직 초기 단계의 시장으로, 스마트폰, TV 중심의 우리나라 디스플레이 산업을 메타버스 세계로 확장시킬 수 있는 기회를 제공할 수 있으며, 다음과 같은 시사점을 생각해 볼 수 있다.
기술적인 측면에서 메타버스 시장의 급격한 성장과 함께 사용자 편의성과 XR 기기에 실감성·시인성을 높이고 어지럼증을 극소화한 XR 기기용 디스플레이 기술개발의 필요성이 급격하게 요구되고 있다. 이에 인지부조화 문제 해결, 휘도·수명 한계 문제 해결 및 초경량형 XR 기기용 초고해상도 마이크로 디스플레이 기술 및 초경량 광학 부품의 개발이 필요하다. 초고해상도 및 실감 영상 지원이 구현할 수 있는 기술로 메타버스에 응용하면 의료, 교육, 국방, 로봇, 공장자동화, 바이오 분석 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
표준적인 측면에서는 XR 기기용 디스플레이의 R&D, 제품 및 서비스에 필요한 표준 구축에 대한 장기적인 로드맵 확보 및 이에 따른 표준 제정 전략이 필요하다. 단기적으로는 현재 진행하고 있는 IEC/TC 110/WG 12에 적극적으로 참여하고 표준 제정에 기여하는 전략이 필요하다. 중장기적으로 XR 기기용 디스플레이가 여러 분야 및 산업 간의 융합이 필요하므로 디스플레이, 센서, 반도체, 콘텐츠 등의 전문가와 협업해 메타버스 전체를 위한 표준화 전략을 설정, 이에 필요한 디스플레이 및 광학 부품 관점에서의 전략이 필요하다고 생각한다. 이를 위해서는 기술과 표준이 함께 개발되는 성격의 R&D 기술개발이 필요할 것이다.
앞에서 살펴본 바와 같이 XR 기기는 미래 성장 동력인 전략 산업 분야로서 산업적 파급효과가 큰 핵심이자 기반 요소로, 향후 다양한 주력산업과 융합해 새로운 시너지는 물론 새로운 제품과 서비스를 창출할 수 있는 분야다. 그러므로 다양한 산학연 기관들의 협력과 공유를 통한 기술개발 및 표준화 활동을 발전시킨다면 XR 기기는 미래 사회를 이끌어가는 구심점이 될 것이다.

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