관성 트래킹, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS)

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1. 관성 트래킹

관성 트래킹 기술은 전자기계 장치를 통해 자이로스코픽 힘(자이로스코프 센서), 가속도(가속도계), 경사도(경사계)의 변화를 측정하여 센서의 상대적인 움직임을 감지한다.

관성 트래킹 기술에 주로 쓰이는 세 가지 센서들을 요약하자면 다음과 같다.

- 자이로스코프 센서: 물체의 상대적인 회전을 감지

- 가속도계: 물체의 상대적인 움직임을 감지

- 경사계: 사물의 상대적인 기울어짐을 감지

관성 트래킹 기술은 오래전부터 친숙하게 쓰여왔던 기술이다.

INS(관성 내비게이션 시스템)은 오랫동안 해상 내비게이션 수단으로 쓰였으며, 상당히 정확한 정보를 제공할 수 있었다.

현재는 나노 단위로 매우 작은 크기의 센서인 MEMS(microelectromechanical systems)가 등장한 이후, 'IMU'(관성 측정 장비)라는 단위로 여러 센서들이 한꺼번에 패키징 되어 쓰이고 있다.

가격도 매우 낮아져서 스마트폰, 디지털카메라, 내비게이션 등 어지간한 전자기기에는 해당 기술이 전부 적용되고 있다.

관성 트래킹 장비는 자이로스코프 센서와 선형 가속도계를 통해 완전한 6-DOF 위치 변화를 추적할 수 있지만, 가속도계와 자이로스코프 센서는 상대적인 값을 계산하는 장비이기 때문에 시간이 지나면서 점차 오차가 누적된다는 문제를 지니고 있다.

이처럼 시간이 지남에 따라 정확도가 떨어지는 현상을 '드리프트 현상'이라고 부른다.

이 현상은 필터를 사용하거나 자체적으로 절대 방식의 추적이 가능한 센서의 데이터를 통합하고, 외부 추적 시스템의 데이터와 결합하는 방식으로 문제를 완화할 수 있다.

별도의 절대 추적 센서가 없거나, 다른 장비의 데이터와도 결합이 불가능한 경우에는 수동 보정을 통해 시스템을 재조정해야 한다.

수동 보정 방식은 생각보다 흔하게 주변에서 접할 수 있다.

스마트폰에서 사용하는 지도 앱을 쓰다 보면 사용자의 위치가 부정확할 경우 기기를 손에 쥐고 뫼비우스 띠 형태로 몇 차례 흔들라는 안내문을 볼 수 있다.

이는 스마트폰에 내장되어 있는 자력계와 가속도계를 수동으로 보정하기 위한 것으로, 주기적으로 발생하는 드리프트 현상 때문이다.

관성 트래킹 기술은 말 그대로 '관성'이 존재해야 하기 때문에 정지해 있는 상태에서 단독으로 사용되는 경우는 드물다.

어찌 되었든 간에 대상이 조금이라도 움직여야 그에 따른 관성이 발생할 수 있기 때문이다.

관성 트래킹 방식은 자체적으로 위치 정보를 계산하기 때문에 별도로 고정된 지점에 대한 정보를 제공할 필요가 없기 때문에 추적 범위에 대한 제한이 존재하지 않는다.

이는 관성 트래킹 방식이 지니는 여러 가지 번거로운 단점에도 지금까지 널리 쓰이는 매우 강력한 장점 중 하나로 손꼽힌다.

그 외에 낮은 비용, 다른 추적 시스템보다 더욱 빠른 반응 속도, 낮은 지연 시간 등의 장점도 존재한다.

관성 트래킹 시스템 또한 다른 트래킹 시스템과 결합이 가능하기 때문에 앞서 언급된 단점들을 보완하여 사용하는 경우도 많다.

관성 트래킹의 낮은 지연 시간과 빠른 반응 속도의 이점을 활용해 HMD 기기 체험자의 몰입감을 끌어올리고, 등대 트래킹 방식을 통해 외부에서 제공하는 위치 정보로 관성 트래킹 시스템에서 발생하는 드리프트 현상을 보정하는 식이다.

 

 

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2. 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS: Micro Electro Mechanical Systems)

앞에서 잠깐 언급된 마이크로 전자 기계 시스템은 마이크로 단위(1/1,000,000m) 수준의 매우 작은 크기의 기계적, 전자적 부품들로 구성된 시스템을 의미한다.

이는 전자공학 분야에서 자주 다루어지는 '집적 회로'의 개념과 매우 유사하다.

두 개념 모두 미세한 전자 부품들을 하나로 패키징하여 다양한 기능을 수행할 수 있는 시스템을 만들고, 소형화 및 대량 생산을 목표로 하고 있다.

먼저 두 개념의 유사점을 살펴보면 다음과 같다.

- 소형화: 반도체 공정 기술 등을 활용하여 매우 작은 크기의 시스템을 생산하는 것에 초점을 둔다. 이 매우 작은 크기의 개념은 나노 단위까지 내려간다.

- 대량 생산화: IC와 MEMS 모두 웨이퍼(Wafer) 수준에서도 제작이 가능한 수준의 대량 생산을 목표로 한다. 이는 제품의 단가를 떨어트리는데 큰 역할을 한다.

- 집적: 전자 회로를 미세한 공간이 통합한다는 점에서 유사점을 보인다. IC는 애초에 이름부터가 '집적' 회로이다.

두 개념의 차이점을 살펴보면 다음과 같다.

- 구성 요소: IC는 엄연히 전자 회로이기 때문에 트랜지스터, 저항 등 다양한 전자 부품으로 구성되어 있다. MEMS는 기어, 다리, 가속도계의 진동자 등 다양한 기계적 부품과 전자 회로가 결합되어 있는 시스템이다. 이 때문에 처리하는 정보의 종류도 달라지는데, IC는 전자 회로를 기반으로 한 신호 처리, 연산 처리 등을 담당한다면, MEMS는 전자 회로 외에 물리적인 움직임에 관련된 기계적 요소도 함께 포함되어 있다.

- 동작 원리: IC는 주로 전기 신호 처리에 중점을 두고 있지만, MEMS는 외부의 물리적 변화를 감지하고 그에 대한 반응을 일으키는 것에 초점을 두고 있다. 가속도계, 자이로스코프를 살펴보면 움직임에 의한 속도 또는 기울임을 감지하고 그에 따른 결과를 내놓는다는 걸 알 수 있다.

- 응용 분야: IC는 주로 컴퓨터, 스마트폰과 같은 다양한 전자기기의 데이터 처리 및 저장 관련 분야에서 활용된다. MEMS는 물리적 센싱, 액추에이션 기능을 제공하는 분야에서 주로 활용된다. 즉, 기계적 움직임이나 환경의 변화를 감지하고 이에 대한 제어에 목적을 둔 분야에서는 MEMS를 주로 사용한다.

집적 회로가 전자 회로 기반의 두뇌로 비유한다면, MEMS는 전자 회로에 센서와 기계적인 손발을 더한 시스템이라고 비유할 수 있다.

즉, MEMS는 외부에서 감지한 환경에 따라 물리적인 작용을 내놓는 역할을 수행하며, 집적 회로는 논리적인 계산과 데이터 처리에 대한 기능을 수행한다는 것이다.

 

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