[첨단 헬로티]

여러분이 최근에 영화관에서 영화를 봤거나 프로젝터를 사용해서 프레젠테이션을 한 적이 있다면 DLP(Digital Light Processing) 기술을 사용한 것이다. TI(Texas Instruments)에서 개발한 기술인 DLP는 MEMS 기반의 광전자 기술로서, 범용성이 뛰어난 것으로 입증되고 있으며 점점 더 다양한 시장 분야에 도입되고 있다. 이 글에서는 이 기술이 어떤 점에서 유용한지 살펴본다.

DLP의 가장 특징적인 점은 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)를 사용한다는 것이다. 이것은 마이크로 크기의 수백만 개의 미러로서, 주어지는 전기 신호에 따라서 빛을 조작한다. 미세한 크기의 마이크로미러들을 초당 수천 번 스위칭해서 놀랄 만큼 높은 해상도의 이미지를 제공할 수 있다. 또한 MEMS 기술을 적용함으로써 긴 수명을 보장하고 비용을 상당히 낮춘다.

DLP 기술은 영화관에서 많이 사용되고 있는데, 단지 필름을 상영하는 것 말고도 훨씬 더 다양한 분야에 사용될 수 있다. TV, 헤드업 디스플레이, 3D 프린팅에까지 이 기술이 도입되고 있다. 현재 DLP는 주로 멀티미디어 디바이스 용으로 알려져 있으나, 산업용, 의료용, 자동차 용으로도 점점 애플리케이션이 늘어나고 있다. 

DLP의 역사

1987년에 TI의 래리 혼벡(Larry Hornbeck) 박사가 개발한 최초의 DLP 칩은 오늘날의 기준으로 보면 비교적 조악했으나, 당시로서 중요한 의미가 있는 혁신이었다. 이 개발의 목적은, 서서히 한계를 드러내던 아날로그 프로젝션 기법을 좀더 정교한 MEMS 기반 구조로 대체함으로써 높은 충실도, 신뢰성, 디지털 기능의 모든 이점을 제공하고자 하는 것이었다.

그림 1. 주사 전자 현미경으로 본 DMD 디바이스 모습(각각의 미러 폭 5.4mm)

각각의 DMD 픽셀은 알루미늄 미러가 힌지 위에 얹힌 형태의 다층적 소자였다. 또 모든 픽셀은 CMOS 메모리 셀 위에 놓였다. 이 메모리 셀의 값을 바꿈으로써 정전기력에 의해서 탑재된 미러의 각도를 변화시킬 수 있다. 초기의 DMD 어레이는 848개 픽셀(29 x 29 해상도)에 불과했다. 아직은 매우 초보적인 형태였으나 첫 시제품만으로도 DLP 기술이 디스플레이와 프로젝터의 작동 방식에 근본적인 변화를 가져올 것이라는 기대를 불러일으켰다. 본질적으로 한계점들을 가지고 있는 아날로그 필름 상영 대신에, DLP 기반의 프로젝션 장비를 사용함으로써(광원과 함께) 디지털 제어 이미지 콘텐츠를 제공할 수 있게 되었다. 

TI는 성능 개선과 기술 상용화를 위해서 DMD 연구개발을 전담할 부서를 설립하고 1996년 봄에 최초의 DLP 제품을 출시했다. 그리고 곧 DLP는 다양한 전자 제품에 채택되기 시작했다. 여기에는 최초의 상용 HDTV도 포함된다. DLP가 나오기 전에는 프로젝션 기반의 평면 TV가 부피가 크고, 밝기가 일정하지 않고, 해상도가 낮았다. 폼팩터가 작고 성능이 강력한 DLP를 사용함으로써 이전의 평면 TV에 비해서 해상도가 높을 뿐만 아니라 영상 품질이 월등히 뛰어난 진정한 HDTV를 내놓을 수 있게 되었다.

가정에서뿐만 아니라 영화관 또한 DLP 기반 프로젝션 시스템을 사용함으로써 혜택을 보게 되었다. 아날로그 필름을 사용하면 한 번 복사를 할 때마다 품질이 나빠지는데, DLP는 소스에서부터 디스플레이까지 완전 디지털 시네마 프로세스를 가능하게 했다. 

마침내 관객들이 영화 제작자들이 카메라 렌즈를 통해서 보는 그대로를 볼 수 있게 되었다. 디테일을 정확하고 선명하게 재현하고, 아날로그 필름 제작 및 배급 과정에서의 시각적 아티팩트를 제거할 수 있게 되었다. 제작은 기존 필름 기반이라 하더라도 배급과 상영을 디지털로 함으로써 영화를 좀더 정확하게 재현하고 아날로그 필름 릴보다 수명을 길게 하고 배급 과정에서의 비용을 훨씬 낮출 수 있었다. DLP의 창안자로서 혼벡 박사는 영화 산업에 기여한 공로를 인정 받아서 2015년에 아카데미상을 수상하기도 했다.

DLP 기술은 세계 최초의 디지털 프로젝션 시스템을 달성하는 데도 기여했다. DLP 칩의 작은 크기와 낮은 전력 소모 덕에 고해상도로 모바일 디지털 프레젠테이션 시스템이 가능하게 되었다. 그럼으로써 기업의 업무 방식에 긍정적인 변화를 가져왔다. DLP 기반 프로젝터를 사용함으로써 회의실이나 현장에서 손쉽게 디지털 프레젠테이션을 할 수 있게 되었다.

DLP 기술

위에서 언급했듯이 DLP 칩 상에서 각각의 마이크로미러가 힌지 위에 탑재된다. 이들 마이크로미러를 극히 빠른 속도로 스위칭 할 수 있으므로 펄스 폭 변조를 사용해서 픽셀의 온/오프 시간을 제어함으로써 다양한 그레이스케일을 표현할 수 있다. 컬러 이미지를 생성하기 위해서는 빛을 RGB 컬러 휠을 거쳐서 단일 DLP 칩으로 보내거나, 또는 3개의 개별적인 RGB DLP 칩을 사용할 수도 있다.

그림 2. 마이크로미러의 기울기를 변화시켜서 반사를 통해서 빛을 변조한다. 

단일 칩 솔루션은 컬러 이미지를 달성하기 위한 컴팩트하면서 경제성이 뛰어난 방법이다. 이 시스템은 광원을 컬러 휠을 거치게 하고 시다중화를 해서 적색, 녹색, 청색 광 원소를 생성한다. DLP 칩이 각각의 색상을 적절히 변조한다. 이 프로세스가 극히 높은 주파수로 이루어지기 때문에 사람의 시각이 결과적인 이미지를 자연스럽게 인지한다. 단일 칩 솔루션은 경제성과 공간 효율이 뛰어나므로, DLP 프로젝터를 작은 폼팩터로 구현할 수 있다.

그림 3. 3칩 DLP 프로젝션 시스템의 RGB 이미지 생성

3칩 솔루션을 사용한 DLP 이미지 프로젝션은 당연히 비용이 더 많이 들고 부피가 커진다. 하지만 훨씬 더 선명한 이미지와 훨씬 더 우수한 컬러 성능을 달성할 수 있다. 이 기법은 광원을 프리즘과 다이크로익 필터를 사용해서 RGB 광으로 분리한 다음에 해당 DLP 칩으로 보낸다. DLP 칩이 이 빛을 변조하고 동일한 프리즘 시스템으로 다시 결합하고 화면에 영사한다.

미래 전망

오늘날 DLP는 파워포인트나 영화를 상영하는 데 주로 사용되고 있으나, 이 기술을 적용할 수 있는 분야는 이보다도 훨씬 많으며 실제로 점점 더 많은 분야에 채택되고 있다. 최신 DLP 솔루션은 5유로센트보다 크기가 작은 칩을 사용하므로 랩탑과 스마트폰 단말기를 비롯한 훨씬 더 다양한 디바이스에 사용될 수 있다. 초소형 휴대용 프로젝터 외에도, 자동차 헤드업 디스플레이, 디지털 사이니지, 증강 현실 웨어러블에도 DLP를 사용할 수 있다.

DLP를 사용해서 물체로 일련의 패턴을 투사하고 빛 왜곡을 분석해서 3D 스캐닝을 할 수 있다. DLP는 또 3D 프린팅에 사용하기에도 잠재력이 크다. 이 애플리케이션에서는 DMD 어레이를 사용해서 액상 포토폴리머 레진 같은 감광성 물질로 된 각각의 층을 선택적으로 경화할 수 있다. 점 기반 노출이나 전통적인 단일 점 3D 프린팅 기법과 비교해서, 이 방법은 층 복잡도에 상관 없이 훨씬 더 빠른 빌드 시간이 가능하다.

DLP 기술을 유용하게 활용할 수 있는 또 다른 분야는 디지털 리소그래피이다. 3D 프린팅과 마찬가지로, 접촉 마스크를 사용할 필요 없이 DMD 어레이가 정밀한 고속 고해상도 빛 패턴을 비춰서 포토레지스트 필름이나 여타 감광성 소재를 노출시킬 수 있다. 그럼으로써 원자재 비용을 절감하고, 생산성을 향상시키고, 신속하게 설계 변경을 할 수 있다.

DLP는 분광기에도 사용될 수 있다. 이것은 물질들로 각기 다른 파장의 빛을 비추고 결과적인 패턴을 검출해서 분자 함량을 분석하는 것이다. 3칩 DLP 프로젝션 시스템과 마찬가지로, 광대역 광을 회절 격자나 프리즘을 사용해서 구성 파장들로 분리한다. DMD 어레이를 부분별로 특정 파장을 맡도록 하고 물질로 빛을 투영한다. 이 방법을 사용해서 더 높은 성능을 달성하고, 비용을 낮추고, 더 소형화된 스펙트럼 분석기를 설계할 수 있다.

원래는 아날로그 필름 프로젝터를 대체하기 위한 용으로 개발된 DLP 기술이 원래의 용도보다 훨씬 더 다양한 분야에 사용되도록 발전하고 있다. 초기의 소박했던 해상도와 비교해서, 최신 세대의 DLP 칩은 50만 개의 미러를 초당 수천 회 스위칭 해서 4K 이미지를 제공할 수 있다. 이 기술은 오늘날의 첨단 디바이스를 위해서 중요한 역할을 할 뿐만 아니라, 미래의 디바이스를 실현하는 데도 기여할 것이다.

엔지니어들이 DLP 기반 시스템을 개발하는 것을 지원하기 위해서 마우저(Mouser)는 평가 하드웨어와 기술적 조언을 제공한다.

글 / 마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)