연구에서 투사된 빛만으로 전력 공급되는 고밀도 촉각 3D 그래픽이 구현되었다.
UC 산타 바바라 대학교(UC Santa Barbara)의 연구진이 학술지 Science Robotics에 게재된 새로운 논문에 따르면, 시각적으로 볼 수 있을 뿐만 아니라 물리적으로도 촉감으로 느낄 수 있는 동적 그래픽을 구현하는 디스플레이 기술을 시연했습니다. 이 연구는 미세한 옵토택타일(optotactile) 표면을 소개하는데, 이 표면에는 밀리미터(millimeter) 규모의 픽셀들이 배치되어 있으며, 프로젝션된 빛의 짧은 펄스에 의해 자극을 받을 경우 감지 가능한 돌기(bumps) 형태로 솟아오릅니다.
이 프로젝트는 2021년 UCSB의 Yon Visell 교수가 던진 단순한 질문에서 시작되었습니다. 즉, 이미지를 투사하는 빛과 동일한 빛이 촉각적으로 느껴질 만큼 강한 기계적 반응을 만들어낼 수 있는지 여부였습니다. 1년간의 모델링과 여러 실패한 프로토타입 과정을 거쳐, UCSB의 Max Linnander는 2022년 말에 작동하는 개념 증명(proof of concept)을 성공적으로 구현했습니다. 외부 전자기기가 전혀 포함되지 않고, 작은 다이오드 레이저의 플래시 빛만을 이용해 구동된 단일 픽셀이 만져졌을 때, 명확한 촉각 펄스를 생성한 것입니다.
논문에서 설명하는 전체 디스플레이 아키텍처는 이 초기 연구를 기반으로 구축되었습니다. 각 픽셀은 얇은 표면 막 아래에 작은 공기 공동(air cavity)과 현수된 흑연 필름(suspended graphite film)으로 구성됩니다. 이 필름이 빛을 받으면 빛을 흡수하여 급격한 온도 상승으로 에너지를 변환합니다. 그 결과, 막 아래의 가열된 공기가 팽창하면서 표면을 최대 1mm까지 밀어냅니다.
이 변위량은 사용자가 손끝의 정밀도(fingertip precision)로 개별 픽셀을 정확히 식별할 수 있을 만큼 충분히 큽니다. 또한, 동일한 레이저 빔이 전력 공급 및 주소 지정(addressing) 기능을 모두 담당하므로, 패널 자체에 내부 배선이 필요하지 않습니다. 스캐닝 시스템이 이 빔을 배열 전체에 걸쳐 고속으로 스캔하며, 픽셀들을 하나하나 활성화하여 연속적이고 부드러운 시각적 및 촉각적 애니메이션을 형성합니다.
연구팀은 1,500개 이상의 독립적으로 주소 지정 가능한 픽셀을 갖춘 배열을 제작했습니다. 이는 밀도, 속도, 변위의 세 가지 요소를 결합하는 데 어려움을 겪었던 기존의 촉각 디스플레이에 비해 획기적인 진전입니다. 2밀리초에서 100밀리초에 달하는 응답 시간 덕분에, 이 패널은 흐르는 윤곽, 다양한 모양, 문자 패턴 등을 사실적으로 재현할 수 있습니다. 실제 사용자 연구에서 참가자들은 움직이는 자극을 정확히 추적하고, 공간적 배열을 구별하며, 순차적인 픽셀 활성화를 통해 생성된 시간적 변화까지 인지하는 능력을 보여주었습니다.
연구진에 따르면, 이 기술의 확장성은 광학 주소 지정 방식 덕분에 자연스럽게 이루어질 수 있습니다. 더 큰 배열은 현대 프로젝터에 사용되는 것과 유사한 소형 스캐닝 레이저로 구동될 수 있습니다. 연구진은 나아가 물리적 제어를 모사하는 자동차 인터페이스나, 독자가 손을 움직이면 모양이 변화하는 전자 텍스트 및 다이어그램 등의 잠재적 응용 분야를 제시했습니다.
비록 이 연구가 아직 프로토타입 단계에 머물러 있지만, 높은 해상도로 빛을 직접 기계적 변형으로 변환하는 성공적인 사례를 보여주었으며, UCSB 팀은 눈과 손 모두가 탐색할 수 있는 패턴으로 정보를 구현하는, 시각 디스플레이와 훨씬 유사하게 작동하는 촉각 디스플레이를 실현할 수 있는 길을 열었습니다.