[오토저널] 미래자동차용 디스플레이 기술
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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)|
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승인 2022-10-18 09:29:06 |
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미래자동차
미래자동차는 크게 전기차, 수소차 등 친환경 자동차와 커넥티드카로 분류된다. 친환경 자동차는 가솔린 및 경유를 사용하여 움직이는 내연기관차가 아닌 전기를 이용하여 움직이는 저공해 또는 무공해 차량을 뜻한다. 커넥티드카의 경우 인간의 운전 조작 없이 인공지능을 통해 자율적으로 주행하는 운송수단인 자율주행차와 자동차 기술에 IT(전기전자/정보통신/기능제어) 기술이 접목된 고안전, 고편의 기능을 제공할 수 있는 스마트카로 세분화될 수 있으며, 이런 커넥티드카의 궁극적인 목표는 차량에서 다양한 인포테인먼트를 제공하는 동시에 자율주행을 실현하는 것이다. 자율주행 자동차가 구현된다면 정보 제공 외 엔터테인먼트 기능을 제공하기 위하여 디스플레이 활용도가 더욱 증가되게 된다. 본 고에서는 자율주행차/스마트카에 핵심이 되는 차량용 디스플레이 기술 동향에 대해서 기술한다.
차량용 디스플레이
운전자의 사고 경감 및 안전을 위하여 정보 전달 데이터가 증가하고 있으며, 이러한 정보 전달 수단에 있어 가장 많은 비중을 차지하고 있는 것이 자동차 디스플레이 장치이다. 이는 HMI(Human-Machine-Interface) 시스템 출력장치의 하나라고 할 수 있으며, 자동차는 항상 실외환경에 노출되어 있기 때문에 타 어플리케이션(IT, Mobile, TV 등)보다 훨씬 우수한 환경신뢰성 특성을 요구하게 된다. 또한, 차량 내 디스플레이의 장착 부위에 따라 상이한 광학 특성이 요구되며, 따라서 장착 부위별 최적화된 맞춤형 투과/반사 특성, 시야각 특성, 시인성 특성을 요구하게 되므로, 디스플레이 패널 외에도 요구되는 특성을 충족하기 위한 다양한 모듈용 광학필름 및 소재기술의 중요성이 부각되고 있다.
주로 계기판(Cluster), CID(Center Information Display)와 같이 차량 내부에서만 장착되는 현재와는 달리, 가까운 미래의 자율주행 시대에는 디스플레이가 윈도우, 외장 등 장착되는 부위가 확장될 것으로 예상됨에 따라 탑승자 및 보행자의 안전과 편의성을 모두 제공할 수 있는 디스플레이 기술의 획기적인 발전이 필요한 시기이다. 현재 자동차에 널리 사용되는 디스플레이의 유형으로는 액정표시장치(LCD, Liquid Crystal Display)와 유기발광다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode)가 있다. LCD와 OLED의 구조상 가장 큰 차이는 발광을 어떻게 하는지, 즉 광원의 차이로 볼 수 있다.
LCD는 패널 자체에서 빛을 내지 않고 패널 뒷면에 비치된 백라이트로 빛을 낸다. 백라이트에서 출사한 빛은 액정과 편광판을 통하여 빛의 세기를 제어하고, 이후 빛은 빨간색, 녹색, 파란색의 3가지 컬러필터를 거치면서 색을 표현하게 된다. LCD는 수십 년간 광범위한 재료, 소자 혁신, 공정 기술이 축적되어 성숙된 기술을 통하여, 일부 특성의 상대적 단점인 시야각, 응답속도, 색재현율을 개선해왔다. LCD는 우수한 신뢰성의 강점을 갖고, 현재 차량용 디스플레이에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있다.
반면 OLED는 스스로 빛을 내는 자발광 소자로 백라이트가 없어 박형으로 제조가 가능하여, 유연 디스플레이에 적용하기 쉬운 장점을 갖고 있으며 우수한 블랙, 응답속도와 같은 특성에서 장점을 갖고 차량용 디스플레이 시장에서 점차 점유율을 확대하고 있는 추세다. OLED는 Rollable, Slidable 등 유연 패널에 적용될 수 있기 때문에 기존 차량의 곡선형 부품과 조화를 이루기에 용이하여 미래자동차 산업에서 유망한 유형의 디스플레이이다. 다만, OLED의 메탈/배선 반사방지, 휘도 개선, 소자 수명, 환경신뢰성 등 해결해야 될 과제들이 많이 남아있는 실정이다.
향후 미래 스마트카에 대응을 위해서는 어떤 유형의 디스플레이가 차량용 디스플레이에 적합한지에 대한 어려운 답을 찾기보다는, 자동차의 각 부품, 장착 부위에서 요구되는 특성을 만족하기에 어떤 디스플레이가 상대적 우위를 갖고 기술을 선도할 수 있는지의 관점으로 기술 접근이 중요할 것이다. 본 고에서는 최근 국·내외 차량용 디스플레이의 기술 트렌드에 대해서 컨셉카, 전시회 및 학회 등에서 보고된 내용들 위주로 기술한다.
자동차에 디스플레이가 적용되는 부위는 크게 내장 부품, 외장 부품, 윈도우 부품으로 분류된다.
●내장 부품
내장 부품으로서 가장 대표적으로는 디지털 칵핏모듈에 위치되어 있는 Cluster, CID, CDD(Co-driver Display)가 있고, 디스플레이 크기는 점점 커지고 있으며, 최근에는 Cluster, CID, CDD를 아우르는 초대형(Pillar to pillar) 디스플레이에 대한 기술개발이 이루어지고 있는 추세다. 칵핏 모듈 외에도 룸미러/사이드 미러, 뒷좌석 엔터테인먼트 디스플레이, 도어 및 천장 등 디스플레이의 장착 부위가 자율주행 시대가 도래하면서 모든 내장 부품으로 확대적용이 진행 중이다.
현재 일부차량에 Cluster, CID로 이미 적용되고 있는 디지털 칵핏 모듈에는 OLED 탑재를 통한 고급화가 진행 중에 있다. 빠른 응답속도, 고 명암비(우수한 블랙), 광 시야각 등에 장점이 있는 차량용 OLED 패널은 세계 시장에서 LG디스플레이가 독점적 점유율을 차지하고 있다. 캐딜락 대형 스포츠유틸리티차량 ‘에스컬레이드’에 28인치 Plastic OLED(POLED)를 양산한 바 있으며 캐딜락 EV ‘리릭’에도 33인치 POLED를 공급 중에 있다. 또한, Cluster, CID, CDD 등 3개의 화면이 하나로 통합된 형태의 POLED가 벤츠 EQS에 탑재되었고, 벤츠 S클래스 세단에는 POLED 디스플레이 패널이 센터페시아(운전석과 조수석 사이에 있는 장치) 패널로 채택되면서 고급차 시장을 확대해 나가고 있다<그림 1>.
삼성전자는 자율주행 시대에 자동차 안에서 원격 업무를 위한 영상 회의부터 영화, 게임, 콘서트 등 일상의 모든 경험을 안전하게 즐길 수 있는 환경을 묘사한 자율차용 가변형 디스플레이 기술 컨셉을 CES 2021에서 공개하였다. 주행 중엔 운전자의 시야를 방해하지 않기 위해 화면의 상단 절반만 노출되고, 주정차 중에는 전체를 활용할 수 있도록 운전자 앞쪽으로 무빙하는 컨셉으로 몰입감 있게 콘텐츠를 즐길 수 있다. 또한, 현대모비스는 34인치 초대형 OLED 디스플레이 패널이 위, 아래로 움직이는 자율주행차량에 최적화된 스위블 디스플레이를 선보이기도 하였다<그림 2>.
한편, 사용자 친화성을 높일 수 있는 감성적인 디자인 요소를 반영하여 컨티넨탈에서는 디스플레이를 사용할 때만 볼 수 있는 샤이테크(또는 히든) 디스플레이 기술을 CES 2022에서 선보였다. 디스플레이가 필요하지 않은 경우 사람의 눈에는 나무, 카본 또는 가죽으로 덮인 대시보드 표면이 보이며, 원래 재질과 동일하게 보일 뿐만 아니라 질감까지 동일하게 느껴지는 대시보드가 일체화되어 숨겨진 것처럼 보인다.
디스플레이를 사용할 경우 화면 표면을 터치하거나, 음성 제어를 통해 디스플레이 패널을 활성화하여, 패널에서 출사한 광이 반투명 표면을 통과하여 정보를 표시하게 되는 컨셉이다. 이처럼 차량용 디스플레이 자체의 특성 외에도, 기존 부품과 조화를 이루는 우수한 실내 디자인적인 면도 고려되어 기술개발이 되고 있다<그림 3>
탑승자에게 보다 확장된 인포테인먼트를 제공하기 위하여, 법적 규제를 대응하기 위한 기술도 활발하게 이루어지고 있다. 현재 조수석 앞 디스플레이가 비치되어 있는 차종이 다수 있긴 하지만 운전 중 동영상 시청이 법으로 금지되어 있어 단지 차량 운행 정보와 관련된 정보만 표시하고 있다. 영화, 게임 등 조수석 승객에 확장된 엔터테인먼트를 제공하는 동시에 운전자 주의 분산을 줄일 수 있는 시야각 가변 디스플레이 기술 컨셉을 컨티넨탈사에서 CES 2022에서 선보였다<그림 4>. 시야각 가변 기술은 자율 주행시에는 운전자 및 조수석 탑승자 모두 시청 가능하며, 직접 주행 시에는 정지된 상태에서는 운전자 및 조수석 탑승자 모두 시청 가능, 주행 시에는 조수석만 시청이 가능하고 운전자는 시청이 불가하도록 시야각 휘도를 가변하는 디스플레이 기술이다.
●윈도우 부품
투명 디스플레이 기반의 윈도우 부품으로는 윈드쉴드, 사이드 윈도우, 리어 윈도우가 있으며, 현재 유일하게 적용되고 있는 부위는 운전자의 운전 편의·안전성을 위한 윈드쉴드로 HUD(Head-up Display) 기술이 적용되고 있다. 프로젝션 타입인 HUD 기술은 표시영역 크기의 한계 및 광학계를 포함한 시스템의 큰 부피차지로 인해 사이드, 천장, 리어 윈도우로의 확대 적용을 하기에는 어려운 기술로 투과형 투명 디스플레이 기술개발이 필수적이다.
토요타는 CES 2018에서 자율주행 기술을 활용한 다목적 모듈식 전기차 e-Palette를 통해 자율주행차 사이드 윈도우 전면을 디스플레이로 구현하여, 차량공유부터 배달, 택시, 이동식 상점, 업무공간 등 다양한 모빌리티 서비스 플랫폼 구현이 가능한 컨셉을 제시하였다<그림 5>. 또한 현대모비스는 2021년 전략 및 신기술 발표 컨퍼런스를 통해 차량의 360도 투명 유리창 전체를 스포츠 경기나 공연 관람용 스크린으로 활용할 수 있는 엠비전 X 컨셉카를 발표하였다<그림 6>. 차량용 윈도우 부품에 적용하기 위한 투명 디스플레이 핵심기술 중 하나는 투과율 향상 기술이다. 투명 디스플레이 픽셀 구조는 디스플레이(발광)부와 개구부로 나뉘어져 있다.
개구부를 넓히면 투과율은 개선 가능하지만, 발광부가 줄어들어 시인성이 좋지 못하게 되므로 무한정 개구부를 넓힐 수 없다. 현재 투명 LCD의 경우, 편광판과 컬러필터로 인해 투과율이 <10% 수준이며 투명 OLED의 경우 투과율이 <40% 수준으로 자율차를 위한 윈드쉴드 외 리어/사이드 윈도우에 모두 적용하기 위해서는 >60% 수준의 투과율 확보기술이 필요한 상황이다. 투명 LCD의 경우 Edge-lit LED와 Field sequential color 기술을 적용하는 기술, 투명 OLED의 경우 배선/전극의 저반사 기술, 고투과 패널 소자 및 모듈소재의 기술이 필요로 하고 있다.
또 하나의 기술적 이슈는 내광신뢰성을 극복할 수 있는 기술이 필요하다. 특히, OLED 디스플레이는 다수의 유기물이 증착되어 있어 기본적으로 자외선 광에 신뢰성이 매우 취약하다. 일반 OLED 대비 투명 OLED의 경우 투과율 확보를 위해 편광판을 사용하지 않고 있으며, 또한 개구부의 존재로 외부 자외선이 많이 침투하여 소자 수명이 더욱 취약하게 된다. 따라서 신뢰성 강화된 패널 재료/설계 및 자외선 차단 모듈 소재 등 내광신뢰성을 확보할 수 있는 기술개발이 필요한 상황이다. 최근에는 이런 이슈들을 해결하고자 상대적으로 내광신뢰성이 우수한 마이크로LED 기반 투명 디스플레이 기술들도 개발이 진행되고 있으며, 실외 환경 명암비(ACR, Ambient Contrast Ratio)를 개선하기 위한 요소기술들이 개발되고 있다.
●외장 부품
자율주행 환경에서의 차량-차량 및 차량-보행자 간 소통을 위하여 외장 부품을 통한 정보표시 기술 역시 최근에 각광받고 있다. 범퍼, 테일게이트, 그릴, 필러 등 모든 외장부품 부위를 통해 정보표시 기능을 부과하려는 완성차 업계의 니즈가 있는 상황이며, 환경신뢰성(고온, 고온고습, UV내광) 향상 기술과 물리적 안전성 확보기술, 외장 부품과 정보표시 필름의 일체 공정 기술 등이 요구되고 있다.
CES 2022에서 BMW는 전계를 인가하면 안료가 캡슐 표면으로 이동하는 e-ink 필름 기술이 적용된 iX 플로우를 통해 탑승자의 마음대로 외장 컬러를 바꾸는 기술을 선보였으며, 현대모비스는 LCD와 스피커까지 장착한 전면 그릴 디자인 인터랙티브 스마트 페이스를 공개하였다. 국내·외 완성차 업계에서는 내장, 외장, 윈도우 부품 등에서 미래자동차를 위한 차량용 디스플레이 기술개발을 현재 지속적으로 진행하고 있으며, 더욱 완성도 있는 기술을 구현하기 위해서는 디스플레이 산업, 자동차 산업 이종 기술·산업 간의 융합기술이 필수적이다. 디스플레이 산업 분야에서는 자동차 부품산업으로의 사업영역을 확대하고, 자동차 산업 분야는 기존 부품과 디스플레이 기술과의 융합을 통해 신사업을 추진한다면, 선순환적 생태계가 구축 가능할 것이다. 또한 산업 경쟁력/기술 경쟁력 강화를 통해 대한민국이 자율주행 시대 미래자동차 세계시장을 선도할 수 있을 것이다.
글 / 최태훈 (한국자동차연구원)
출처 / 오토저널 2022년 8월호
