스마트홈 애플리케이션 위한 TI DLP 피코 기술

스마트홈 애플리케이션과 사물인터넷(IoT)은 우리의 가정을 변화시키고 일상에서 사용하는 기기의 커넥티비티 및 인텔리전스를 한층 더 확장시킨다. 이러한 제품에 DLP 피코(Pico) 기술을 구현하면 그 효율성은 더욱 강화된다.

스마트홈 및 가전제품에 프로젝션 기술을 구현하면 상호작용형, 적응형, 재구성형 인터페이스들이 가능해진다. 이것은 사실상 가정 내 대부분의 버튼과 태블릿, LCD 패널, 기계식 손잡이를 대체할 수 있다.

스마트홈을 구성하는 수많은 개별 디바이스와 가전제품들은 인텔리전스 및 커넥티비티, 상호작동성을 제공한다는 점에서 기존의 노동절약형 가정용 기계들과는 다르다. 프로젝션 기술은 강력하고 효율적인 방법으로 기기들이 직관적인 터치 및 동작 인터페이스를 이용해 정보를 주고받을 수 있게 한다.

DLP 피코 프로젝터(우측)는 비글(Beagle) 보드(좌측)보다 작다.
이 두 제품은 일반적으로 HDMI 케이블과 연결된다.

스마트홈 애플리케이션에는 내장형이며 튼튼하고 에너지 효율적인 디스플레이 기술이 필요하다. 투사된 이미지는 벽면이나 천장, 주방 조리대, 가전제품 등 다양한 표면에서 작동을 해야 한다.

밝기, 명암, 색상, 디테일 등이 충분해야 선명하고 만족스러운 이미지를 만들어낼 수 있으며 상호적인(interactive) 디스플레이와 프로젝션 공간은 창의적이고 강력한 컨트롤 기능들을 가능하게 해준다.

DLP 피코 기술은 스마트 홈을 자유롭고 신뢰할 수 있고 미관적으로도 뛰어난 장소로 만들어주는 기능 및 이점을 제공함으로써 기능성과 쾌적함, 에너지 효율을 강화한다.

DLP 피코 기술을 통한 프로젝션은 ▲모든 표면 형태의 디스플레이 ▲주문형(on-demand) 디스플레이 ▲높은 광학효율 ▲소형 폼팩터와 고해상도 등의 기능들을 가능하게 한다.

◇ DLP 피코 기술이란?

텍사스인스트루먼트(이하 TI)의 DLP 피코 기술은 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)를 이용해 광을 조절하는 MEMS(Microelectro-Mechanical Systems) 기술이다.

DMD에서 각각의 마이크로미러는 화면의 픽셀과 같으며[그림1] 개별적으로 조절되고 컬러 시퀀셜 조광과 동조하여 근사한 디스플레이를 만들어낸다.

TI DLP 기술은 디지털 시네마 프로젝터부터 태블릿과 스마트폰 내부의 프로젝터에 이르기까지 전세계 제품을 움직인다. TI DLP 피코 칩셋은 소형 크기에서 고해상도 및 고휘도, 저전력 소모를 요구하는 디스플레이 시스템에 매우 적합한 솔루션이다.

◇ 스마트홈의 기술 동향

스마트홈이란 개념은 가전제품은 물론 안락함과 환경, 모니터링 및 보안, 에너지 사용, 엔터테인먼트, 조명, 미관 강화 등 많은 영역을 변모시키고 있다. 거주자는 주택 운영을 일별·주별 일정과 에너지 사용량(계절별, 현재 날씨 등), 시간, 보안 등에 맞춰 최적화할 수 있다.

엔터테인먼트, 정보, 조명, 미관 등도 완전히 새로운 기능들로 확대 및 강화된다. 가사일에 대한 원격 모니터링과 제어도 전세계 어디에서나 가능하다. 특히 노인과 장애인은 수월해진 일상 관리와 강화된 비침해적 모니터링 및 경보 발동 등을 통해 스마트 홈의 이점을 누릴 수 있다.

스마트홈 애플리케이션의 성장과 희망하는 바가 지역마다 다르다는 점에 주목해 보자. 유럽에서는 에너지 효율과 집안 내부의 쾌적함에 중점을 둔다. 북미에서는 전기·수도·가스, 쾌적함, 보안에 중점을 두고 있다.

일본의 스마트홈 애플리케이션은 안전성 및 보안이 철저한 생활 환경을 보장하면서도 노년층에 대한 개별 모니터링 역시 빼놓지 않고 있다. 나머지 다른 나라에서는 스마트홈 개념이 저개발의 낡은 인프라와 미래 주택의 차이점을 잇는 다리 역할을 한다. 그 사례가 인도의 스마트 시티 계획(Smart Cities initiative)이다.

전세계 곳곳에서 여러 기업들과 정부기관들이 스마트홈 혁명을 주도하고 있다. 초반에는 에너지 관리에 주로 초점이 맞춰졌지만 보안과 전기·수도·가스, 이제는 쾌적함까지 아우르며 발전하고 있다.

여러 지역에서의 기술 발전은 스마트홈 개념과 애플리케이션의 확산에 탄력을 주고 있다 글로벌 커넥티비티는 이러한 스마트 홈 애플리케이션에서 빼놓을 수 없는 ‘사물인터넷(IoT)’을 가능하게 해준다. IoT은 사실상 스마트 홈의 토대나 다름없다. 프로젝션 기술은 이러한 추세를 이어 스마트홈 제품을 더욱 사용하기 편리하게 만들고 그 효과를 강화할 수 있다.

◇ 스마트홈에서 프로젝션 기술의 역할

과거의 프로젝션 기술은 홈시어터 기술이 핵심이었다. 하지만 스마트 홈에서 프로젝션 기술은 더 다양하고 새로운 역할을 할 수 있다.

라이프스타일: 라이프스타일 개선에 활용되는 프로젝션, 주택 조명 = 스마트홈 제품을 홈 데코레이션 및 가구에 잘 어울리도록 미관 설계할 수 있다. 또 스마트홈의 집주인과 거주자들의 취향, 스타일 및 문화에 맞춰 제품 컨셉을 다양하게 할 수 있다.

이미 이러한 추세를 보여주는 여러 사례들이 있다. 표준 전등 소켓에 적합한 프로젝터가 내장된 전구나 트랙 라이트의 일부로 쓰이는 프로젝터 등이 그 예다.

이런 종류의 프로젝션 기반 조명 제품들은 다양하고 흥미롭게 활용할 수 있다[그림2].

테이블 램프 = 스마트폰과 같은 개인용 디바이스의 콘텐츠를 공유할 수 있다.

전등 설비 = 특수효과로 다양한 테마와 분위기를 연출할 수 있다.

그림 액자 = 고정된 그림을 동적인 콘텐츠로 바꿀 수 있다.

자녀방 = 유아를 안정시키는 효과를 주거나 아이의 관심을 유도할 수 있는 시각적 콘텐츠를 제공하거나 심지어 교육을 향상시킬 수도 있다.

프로젝션 디스플레이를 구현하는 스마트홈 애플리케이션 개발자들은 획기적으로 새롭고 유용하고 흥미로운 제품을 시장에 선보일 수 있다.

제어 모니터링 = 주택 보안 및 제어 제품에 빼놓을 수 없는 프로젝션

최저 단거리(Ultra-short Throw)* 프로젝션 디스플레이[그림 3]는 ‘주문형(on-demand)’ 상로적인 제어 패널이 가능하다. 이를 이용해 스마트홈의 기능과 기기를 모니터링하고 구성할 수 있다. 프로젝션 기반 패널은 재구성이 가능하며 적응력이 뛰어나다.

* 최저 단거리 프로젝션 디스플레이는 가까운 거리에서 큰 이미지를 만들어낼 수 있다.(예: 3~5인치 거리에서 15인치의 넓은 디스플레이)

홈 모니터링 제품에 프로젝션 디바이스를 통합시켜 이러한 디바이스들의 사용 방식에 패러다임 변화를 가져올 수 있다. 주문형 디스플레이 기반 휴먼 인터페이스는 이러한 디바이스들의 이용성과 효과를 모두 강화할 수 있다.

프로젝션 디스플레이는 주택 공조 시스템과의 무선통신을 통해 시스템 상태를 표시하고 제어 기능 및 실내 온습도를 보여주며 지역 날씨와 기상예보를 알려줄 수 있다[그림4].

주택 보안 시스템이 디스플레이와 통신해 문 열림이나 창문 열림에 대해 경고를 하거나 다른 보안 상태에 대해 경고를 할 수 있다[그림4].

전기·수도·가스 및 가전제품 = 프로젝션 기술로 주방과 가전제품의 효용 개선

스마트 주방, 즉 연결된(connected) 주방은 현재 빠르게 성장 중인 새로운 카테고리다. 프로젝션 기술로 조리대 표면이나 주방 작업대에 상호적인 디스플레이를 만들어내는 산업에서 여러 가지 제품 컨셉트를 내놓은 바 있다. 그 중 하나가 레시피 조회다. 이것은 제공량 계산 및 온라인 재료 안내를 도와준다[그림5].

가전제품 = 이와 비슷하게 다른 주방 기기나 가전들도 프로젝션 기능 첨가로 이점을 누릴 수 있다.

식기세척기가 모든 컨트롤들을 숨긴 상태에서 바닥에 현재 상태와 그 밖의 메시지들을 보여준다[그림6]. 전자레인지나 오븐이 조리 중인 식품의 그림을 전면 유리에 보여주면서 메시지나 경고문구도 함께 보여준다.

■ 왜 DLP 기술인가?

◇ 스마트 홈의 시스템 및 전자적 고려사항

[그림7]은 DLP 프로젝션 시스템의 블록 다이어그램이다. 크게 두 개의 파티션이 프로젝션 기능을 제공하고 있다. 전자 파티션에는 DLP 컨트롤러 칩과 전원 관리 블록, 광 드라이버 칩이 들어 있다.

또 이것은 애플리케이션 프로세서와 프론트 엔드 인터페이스 프로세서도 가질 수 있다. 애플리케이션 프로세서는 프로젝션 시스템을 관리하는 것 외에도 동작 제어, 상호작동성 등의 기능들을 지원할 수 있다.

광학 파티션에는 DLP DMD, 광 디바이스(대부분 LED), 광학 구성요소(렌즈, 필터 등), 관련 기계 부품들이 들어 있다. 이 부품들은 광학 엔진이라 불리는 작고 튼튼한 어셈블리 안에 집적된다.

광학 엔진의 크기와 폼팩터는 해상도, 밝기, 거리 비율 등 기타 설계 요소들에 좌우된다. 광학 엔진은 온라인 공급업체 및 DLP 피코 에코시스템 소속의 제조업체들에서 구입할 수 있다.

개발자들은 DLP 피코 에코시스템을 지원하는 폭넓은 써드파티 네트워크를 활용할 수 있다. 요구사항에 따라 디자인 하우스와 계약해 맞춤형 프로젝션 시스템을 만들 수 있고 광학 엔진 공급업체(OEM)에서 광학 엔진을 구입할 수도 있으며 시스템 통합 업체로부터 완성형 프로젝션 서브시스템을 제공받을 수도 있다.

◇ 스마트 홈의 고유 요건들

프로젝션 표면 = 색상, 패턴, 표면 만곡 때문에 프로젝션에 이상적이지 않은 표면이 있을 수 있다(예컨대 주방 조리대나 벽지). 이 문제는 밝기 추가와 표면 기하학, 색상, 패턴 등을 보정하는 알고리즘으로 극복할 수 있다.

개조 = 기존 장소와 배선 환경에 맞춰 장비를 개조해야 할 때가 있다. 프로젝션 표면이 프로젝션 렌즈와 자연스럽게 정렬되지 않을 수 있으며 이런 문제는 키스톤 보정과 줌 기능을 통해 처리할 수 있다. 또 프로젝션 모듈을 위한 틸트앤롤(Tilt-and-Roll) 조정도 도움이 될 수 있다.

크기 및 폼팩터 = 시스템 설계에서 고려해야 할 또 다른 요소로는 필요한 크기와 폼팩터가 있다. 프로젝션 모듈을 기존 가전에 통합시키면서 미관도 유지해야 한다. 광학 엔진의 크기는 그 휘도, 해상도, 거리 비율에 주로 좌우된다.

DLP 피코 광학 엔진은 스마트폰이나 태블릿에 통합시킬 수 있을 만큼 소형화가 가능하다. 따라서 제품의 폼팩터나 설계 미관을 해치지 않아도 된다. 다른 한편으로는 최대 100인치의 넓은 표면에 생생한 이미지를 비출 수도 있다.

◇ 설계 고려사항

프로젝터의 사양은 원하는 이미지 크기와 디스플레이의 유형, 완제품에 통합시키는데 필요한 폼팩터, 프로젝션 유닛과 디스플레이 표면간의 거리 등 여러 요소들에 좌우된다. 최종 사양에서는 다음과 같은 핵심 요건들을 서로 조정해야 할 수도 있다.

밝기 = 프로젝터의 총 출력 루멘(lumen)은 원하는 이미지의 크기와 주변 광 조건에 따라 달라질 것이다. 프로젝션 표면에 색상이나 패턴이 어느 정도 있는 경우(예를 들어 주방 조리대), 밝기를 20~30% 추가해 증가시켜야 할 수도 있다. [표1]에는 이미지 크기와 다양한 주변 광 조건을 기반으로 프로젝터의 밝기 권장 값이 나와 있다.

해상도 = 필요한 해상도는 투사될 콘텐츠나 정보에 주로 좌우된다. 사진이나 비디오일 경우 720p(1280×720)나 1080p(1920×1080) 해상도가 선호될 수 있다. WVGA(854×480)나 720p 해상도는 문자 메시지와 그래픽 기호 같은 일반적인 정보 디스플레이에 적합하다.

거리 비율 = 프로젝터의 거리 비율은 프로젝션 렌즈와 화면 사이의 거리를 투사 이미지의 너비에 대비한 비율로 정의된다. 필요한 거리 비율은 가전과 허용 공간에 좌우된다.

크기 및 폼팩터 = 프로젝션 시스템의 크기와 폼팩터는 표준가전 및 디바이스와의 어울림에 있어 중요한 요소다. DLP 피코 칩셋은 초소형 프로젝션 엔진이 가능하도록 설계돼 있다. 또 DLP 기술의 고휘도 효율은 초소형 폼팩터에서도 매우 밝은 프로젝터가 가능하도록 해준다.

줌(Zoom) = 프로젝션 기능을 라이트 트랙이나 주택 모니터링 디바이스와 같은 기존 설비 안에 개조해 넣으려면 이미지 크기 가변 기능(줌)이 필요할 수 있다. 이것은 프로젝션 표면까지의 특정 거리에 맞춰 이미지 크기를 조정하는데 도움이 된다.

거리 비율에 기반해 주로 사용되는 카테고리에는 ▲표준거리(1.0~1.6) ▲단거리(0.5~ 1.0) ▲최저 단거리(< 0.5) 3가지가 있다. [그림8]은 그 사례를 보여주고 있다.

◇ 부가가치 기능들

프로젝션 디스플레이의 효과를 높이고 그것이 구현된 가전제품이나 디바이스에 가치를 더해주는 기능들이 몇 가지 있다.

상호작동성 = 상호작동성은 제품의 사용 인터페이스의 중요한 요소다. 최종사용자의 구체적인 사례에 따라 단순한 동작 제어로 충분할 수 있거나 매우 정밀한 멀티터치 기능이 필요할 수도 있다. 효과적인 사용자 인터페이스를 위해 프로젝션 시스템과 통합시킬 수 있는 여러 가지 기술 후보군들이 있다. [표2]는 주요 상호적인 기술들 몇 가지를 비교한 것이다.

대부분의 사례에서는 전파 시간(Time of Flight) 기술이면 스마트 홈 애플리케이션에 충분할 수 있다. 좀 더 단순한 동작 인터페이스를 활용할 수 있는 비용에 민감한 가전의 경우 초음파나 IR에 기반한 저가 솔루션이 선호될 수 있다. 그러나 고정밀 동작 및 터치 감응 인터페이스가 필요한 경우 RI 레이저 커튼에 기반한 멀티-터치 솔루션이 필요할 수 있다.

키스톤(Keystone) 보정 = 프로젝션 시스템의 공간 제약 때문에 프로젝션 표면에서 프로젝터의 센터링과 정렬이 방해를 받는 경우가 많은데 이 때문에 키스톤과 같은 기하학적 왜곡이 발생한다.

키스톤 보정은 이러한 왜곡을 보정해 더 작은 디바이스나 가전제품을 설계할 수 있도록 해준다. 대부분의 프로젝터는 수직 키스톤 보정 기능으로 수직 평면에서 중앙에 있지 않은 프로젝터를 보정한다. 그러나 프로젝터가 수평 평면에서 중앙에 있지 못할 경우 수평 키스톤 보정도 바람직할 수 있다.

프로젝션 표면 보정 = 희망하는 디스플레이 표면이 불규칙한 경우도 일부 있을 수 있다(등고선). 고급 이미지 처리 기능은 투사되는 이미지의 보정으로 이러한 등고선을 보정해 왜곡 없이 보이게 할 수 있다. 이와 비슷하게 표면 색상 및 패턴에 대한 적응형 보정 역시 스마트 홈 애플리케이션에서 프로젝션 기능의 효과를 크게 강화할 수 있다.

◇ 스마트 홈 애플리케이션을 위한 DLP 칩셋

TI는 다양한 디스플레이 크기 및 밝기 요건, 픽셀 밀도(해상도)에 맞춰 DLP 프로젝션 칩을 다양한 크기와 해상도로 선보이고 있다. [표3]은 시중에서 구할 수 있는 DLP 칩셋을 보여주고 있다. 각각의 DMD에는 이에 걸맞은 칩과 전원 관리 IC(PMIC)가 있어야 이러한 칩셋을 완성할 수 있다.