헤드업 디스플레이

전방시현기(Heads-up display, HUD)는 인간의 시야에 직접 정보를 비추는 수단이다. 조작자가 전방주시에 용이하도록 다양한 정보를 시야 전면에 배치하여, 시선을 옮기는 것을 최소화 시켜 준다.

개요

이 기술은 군용 항공 기술로 개발되었지만 민간 분야에서도 다양하게 응용되고 있다. 1960년대에 항공기에 처음 적용되었고, 2010년 이후부터는 자동차 분야로 적용이 확대되고 있다. 2003년 독일의 비엠더블유(BMW)에 이어 아우디, 일본의 도요타가 전방시현기 적용 자동차를 선보였고, 한국에서는 2012년 기아자동차가 K9에 처음으로 전방시현기를 도입했다. 초기 전방시현기는 항공기에 정보를 표시하기 위해 개발된 장치였다. 특히, 교전 중에도 속도와 고도 정보를 확인해야 하는 전투기에 꼭 필요한 기술이었다. 조종사가 전방을 주시할 수 있도록 돕는다는 의미로 '전방 시현기'로도 불리고, 고개를 든 상태에서 정보를 확인할 수 있다고 해서 ‘헤드 업 디스플레이’라는 명칭으로도 불렸다. 차량용 전방시현기는 차량의 현재 속도, 연료 잔량, 내비게이션 길 안내 정보 등을 운전자 바로 앞 유리창 부분에 그래픽 이미지로 투영해 주도록 고안되었다. 예를 들어 자동차로 주행할 때, 주행 정보를 알기 위해서는 계기판을 향해 시선을 내려야 한다. 이때 운전자는 정면을 응시하는 것이 불가능해지므로 사고의 위험이 생기게 된다. 이렇듯 전방시현기는 운전자 정면의 유리창 위에 주행 정보를 띄워 운전자가 주행 시 주행 정보를 인식할 수 있도록 도와주는 장치이다. 구현 방식으로는 프로젝터용 레이저를 통해 허상 지점에 이미지를 구현하는 방식과 하단에 이미지 패널을 배치하여 광원 반사를 통해 구현하는 방식이 대표적이며, 최근에는 디스플레이 기술 발달로 투명 디스플레이에 직접 이미지를 표시하는 방식이 상용화 준비 중이다.

역사

전방시현기는 2차 대전 전 군용 전투기의 시차 없는 광학 조준 기술인 반사경 시야에서 시작되었다. 자이로 건경은 기동 중 목표물을 타격하는 데 필요한 리드량을 해결하기 위해 속도와 회전율에 따라 움직이는 레티클을 추가했다. 1940년대 초 영국의 레이더 개발을 담당하는 전기통신연구센터(TRE)는 영국 공군(RAF) 야간 전투기 조종사들이 목표물에 접근하면서 레이더 사업자의 구두 지시에 따라 대응하는데 어려움을 겪고 있다는 사실을 발견했다. 그들은 조종사를 위해 두 번째 레이더 디스플레이를 추가하는 실험을 했지만, 목표물을 찾기 위해 불이 켜진 화면에서 어두운 하늘을 올려다보는 데 어려움을 겪고 있다는 것을 발견했다. 1942년 10월, 그들은 레이더 튜브의 이미지를 앞유리의 평평한 부분에 있는 그들의 표준 GGS Mk. II 자이로 조준경의 투영과 성공적으로 결합했고, 나중에는 조준경 자체에서 성공적으로 결합했다. 핵심 업그레이드는 원래 AI Mk. IV 레이더에서 드 하빌랜드 모기의 야간 전투기에서 발견된 마이크로파 주파수 AI Mk. 8 레이더로 이동하는 것이었다. 이 세트는 인공 지평선을 만들어 헤드업 비행을 더욱 완화시켰다.

1955년 미국 해군 연구 개발국은 현대 제트 항공기를 조종하는 조종사의 부담을 덜어주고 비행 중 계측기를 덜 복잡하게 만들기 위해 사이드스틱 컨트롤러와 함께 모형 전방시현기 개념 유닛으로 일부 연구를 수행했다. 그들의 연구는 그 당시의 어떤 항공기에 통합되지 않았지만, 그들이 만든 조잡한 전방시현기 모형화는 오늘날의 전방시현기 장치의 모든 특징을 가지고 있다. 전방시현기 기술은 1958년 4월 30일 처음 비행한 영국 해군의 부카네어호에 의해 다음으로 발전되었다. 이 항공기는 매우 빠른 속도로 매우 낮은 고도로 비행하고 수 초 동안 지속되는 전투로 폭탄을 투하하도록 설계되었다. 그런 만큼 조종사가 계기판에서 폭탄조준까지 올려다볼 겨를이 없었다. 이는 고도, 비행속도, 포탄/폭격 조준경을 결합하여 하나의 포사경 같은 디스플레이로 만드는 '스트라이크 조준기'의 개념으로 이어졌다. 새로운 전방시현기 디자인을 지지하는 사람들과 오래된 전자 기계식 총기 난사 사건의 지지자들 사이에 치열한 경쟁이 벌어졌는데, 전방시현기는 급진적이고 심지어 무모한 선택으로 묘사되었다.

영국 국방부의 에어 암 지부는 스트라이크 시트의 개발을 후원했다. 왕립항공기 설치소(RAE)가 장비를 설계했으며, '헤드업 디스플레이'라는 용어는 이때부터 사용했다고 볼 수 있다. 생산 단위는 신텔에 의해 건설되었으며, 시스템은 1958년에 처음 통합되었다. 신텔 전방시현기 사업은 엘리엇 플라이트 오토메이션(Elliott Flight Automation)에 의해 인수되었고 부카네어 전방시현기는 제조되고 더 발전되어 총 375개의 시스템이 만들어진 Mark III 버전까지 계속되었고, 영국 해군으로부터 '핏 앤 망각' 칭호를 받았으며, 거의 25년이 지난 후에도 여전히 사용되고 있다. 비에이이(BAE) 시스템스는 지이씨-마크로니 아비오니스(GEC-Marconi Avionics)를 통해 엘리엇트의 뒤를 이어 세계 최초의 전방시현기를 운영 서비스 업체로 내세우고 있다. 영국에서 새로운 총 조준경을 가지고 비행하는 조종사들이 비행기를 조종하는데 더 능숙해지고 있다는 것이 주목되었다. 이때 전방시현기는 일반 파일럿을 목표로 하는 무기 이상으로 목적을 확대했다. 1960년대에 프랑스의 시험 파일럿 길버트 클로프스타인(Gilbert Klopfstein)은 조종사들이 하나의 시스템만 배우면 되고 항공기들 간에 더 쉽게 전환할 수 있도록 최초의 현대식 전방시현기와 전방시현기 기호 표준화된 시스템을 만들었다. 착륙에 대한 계기 비행 규칙 접근에 사용되는 현대 전방시현기는 1975년에 개발되었다. 클로프스타인은 조종사의 시야에 중요한 비행 데이터를 중앙 집중화하는 것을 목표로 군용 전투기와 헬리콥터에서 전방시현기 기술을 개척했다. 이 접근방식은 파일럿의 스캔 효율성을 높이고 태스크 포화 및 정보 과부하를 감소시키는 것을 추구했다.

그 후 전방시현기의 사용은 군용기 이상으로 확대되었다. 1970년대에는 전방시현기가 상업 항공에 도입되었고, 1988년에는 제너럴 모터스(General Motors)의 올즈모빌 커틀라스 슈프림(Oldsmobile Cutlas Supreme)이 전방시현기를 갖춘 최초의 자동차가 되었다. 이 시스템은 원래 대시보드에서 속도, 타코미터 및 기타 기본 판독값을 표시하기 위해 사용되었다. 그러나 기술이 발전함에 따라 훨씬 더 정교하고 중요한 정보가 전시되고 있다. 기존의 전방시현기는 증강현실(AR)이라는 새로운 기술로 대체되고 있다. 이러한 증강현실 시스템은 전방시현기의 새로운 버전이지만 훨씬 더 진보적이다. 증강현실은 GPS 시스템, 적외선 카메라, 인터넷 및 모바일 앱과 통합되어 자동차의 앞유리를 온보드 정보 화면으로 바꿀 수 있다.

종류

고정식 장착형 전방시현기 외에 헤드 장착형 디스플레이(HMD)도 있다. 헬멧 장착 디스플레이(둘 다 약칭 HMD)를 포함해서, 사용자 머리의 방향에 따라 움직이는 디스플레이 요소를 특징으로 하는 전방시현기 형태 등이 있다. 많은 현대 전투기들(F/A-18, F-16, Eurofater 등)은 전방시현기와 헤드 장착형 디스플레이를 동시에 사용한다. F-35 라이트닝 II는 전방시현기 없이 헤드 장착형 디스플레이에만 의존하여 설계되었으며, 고정 전방시현기가 없는 최초의 현대식 군용 전투기가 되었다.

증강현실 전방시현기

증강현실(AR) 전방시현기(Augmented Reality Head-up Display)는 가상의 이미지를 자동차의 앞 유리에 표시하여 필요한 정보를 운전자가 얻을 수 있도록 도와준다. 증강현실 전방시현기는 반영된 정보가 주행 상황의 일부인 것처럼 보여진다는 점에서 윈드쉴드 전방시현기와 차별성이 있다. 예를 들어 길을 탐색할 때, 외부 시야에 정확히 삽입된 가상의 기호는 운전자가 전방의 도로에서 따라가야 하는 경로를 표시한다. 거리 조절 기능(Adaptive Cruise Control, ACC)이 작동하는 경우, 증강현실 전방시현기 이미지에서의 심볼은 보조 시스템에 의해 감지된 차량을 시각화한 것이다. 점점 복잡해지는 환경에서, 증강현실 전방시현기를 통해 운전자는 주행 상황과 직접적으로 관련된 정보를 얻음으로써 운전에 대한 부담을 줄일 수 있다. 이는 운전자가 주행 상황을 더 빨리 알아챌 수 있는 정보로 이어지기 때문에 안전성과 편의를 향상시키게 된다.

컴바이너 전방시현기

콘티넨탈은 컴바이너 전방시현기를 사용하여 전방시현기를 위한 자사 솔루션 범위를 확대하고 있다. 전방시현기 원리를 채택한 이 장치는 설치되는 공간이 다른 전방시현기용 기기들에 비해 상대적으로 작다. ‘컴바이너’(Combiner)라고 하는 작고 투명한 플라스틱 디스크는 앞 유리 대신 표시 정보를 위한 거울로 사용된다. 이 전방시현기 기술이 가지고 있는 인체공학적인 측면의 장점은 차량 내에서 최대한 광범위하게 활용될 수 있다는 점이다. 컴바이너 전방시현기는 모든 차량에 쉽게 통합될 수 있는데, 운전석 공간이 좁은 스포츠 차량에 특히 유용하다. 컴바이너 전방시현기는 앞 유리가 광학 경로와 통합될 필요가 없기 때문에, 적용방식에 따라 앞 유리 전방시현기에 비해 절반 정도의 설치 공간만을 필요로 한다. 컴바이너 전방시현기에 거울 하나만 장착되어 작동될 수 있으므로, 작고 얇게 만들 수 있는 것이다. 컴바이너는 인체공학적 이점도 제공한다. 운전자는 필요한 정보를 읽는 동안 계속해서 교통 상황을 주시할 수 있기 때문에 도로와 디스플레이를 번갈아 가며 보지 않아도 된다.

DMD 전방시현기

디지털 미소 반사 표시기(Digital micromirror device, DMD) 기술은 기존의 전방시현기와 증 현실 전방시현기 간의 격차를 줄여 더 우수한 이미지를 제공한다. 이전에 사용된 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT LCD) 기술을 대체하는 DMD는 미러 광학과 영상 생성 장치(PGU)를 기반으로 하여 디지털 시네마 프로젝터와 동일한 방식으로 그래픽 요소를 생성한다. 그래서 중간 스크린, 순차 색 관리, 렌즈 기반 광경로를 통해 이미지는 기존의 전방시현기보다 더 밝고 선명해진다. 콘티넨탈의 새로운 DMD 전방시현기는 동급 제품 중 가장 밝고 크며 운전자가 편광 선글라스를 통해서도 디스플레이를 볼 수 있다. 게다가 디스플레이 영역이 넓기 때문에 통합적인 사용자 인터페이스(Human-Machine Interface)에 편의와 보안을 더한다. DMD 전방시현기를 통해 이전에는 보조 디스플레이나 계기판에 위치했던 정보를 시야에 직접 표시할 수 있는데 이러한 특성으로 차량 제조업체는 차량 내 기기의 중복을 줄일 수 있다.

홀로그래픽 전방시현기

콘티넨탈과 디지렌즈의 기술인 홀로그래픽 전방시현기를 사용하면 증강현실 전방시현기의 부피가 최소한으로 줄어든다. 특히 이 초슬림 홀로그래픽 전방시현기는 현재 사용 중인 시스템의 1/3 크기에 불과하기 때문에 더 작은 공간을 필요로 한다. 이러한 혁신을 통해 운전자는 매우 직관적인 방식으로 모든 관련 정보를 바로 눈앞에서 볼 수 있게 된다. 이 기술은 또한 운전자가 자율주행을 더 빨리 수용하도록 도와준다. 증강현실 전방시현기에 대한 수용도가 높아짐에 따라 운전자는 차량이 실제로 보고 인지하여 얻은 정보를 신뢰하게 되는 것이다.

윈드쉴드 전방시현기

윈드쉴드 전방시현기는 차량 전면 유리에 정보를 표시한다. 운전자의 시야에 운전자가 필요로 하는 모든 정보가 언제나 표시되는 것으로, 그래서 특별한 경우나 위험한 상황에서 운전자의 주의력을 분산시키지 않고 경고할 수 있게 된다. 하지만, 윈드실드 전체를 디스플레이로 전환하는 것은 큰 비용이 발생한다는 문제가 있었다. BMW 등 제조사는 마음만 먹으면 전체 윈드실드에 기술을 적용할 수 있었지만, 비용 문제뿐만 아니라 사후 지원 문제와 마땅한 안전 규정도 없는 상태에 무리해서 상용화하는 것은 도박과도 같기 때문에, 결국은 몇 가지 정보만 표시할 수 있는 좁은 영역에 머무르게 되었다. 그러나 내비게이션이나 스마트폰과 연동한 편의 기능, 보안 기능 등이 인기를 끌면서 전방시현기 보급은 서서히 속도를 내고 있는 추세이다.

참고 자료

• 전방시현기 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%EB%B0%A9_%EC%8B%9C%ED%98%84%EA%B8%B0
• Head-up display Wikipedia- https://en.wikipedia.org/wiki/Head-up_display
• CHRISTOPHER NEIGER, 〈How Head-up Displays Work〉, 《howstuffworks》
• TOPCIT, 〈HUD 헤드업 디스플레이란?〉, 《네이버 블로그》, 2013-09-03
• 맥갤러리, 〈자동차 HUD로 상상해보는 AR의 미래〉, 《LG CNS》, 2017-04-03
• 김종율 기자, 〈헤드업 디스플레이 : 운전자의 새로운 동무가 되다〉, 《오토모티브리포트》, 2018-09-28

같이 보기

• 전기자동차

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