1. 서 론

최근 옥외 광고용 디스플레이는 다양한 정보를 제공하기 위해 수요가 급증하고 있다^[1]. 특히 자전거, 자동차 등 도시 및 지역을 이동하면서 광고하는 홍보 효과로 모빌리티에 적용되는 다양한 광고 및 디스플레이의 사용이 증가하고 있다^[2]. 그러나 모빌리티용 디스플레이는 옥외 환경과 이동하는 취약한 환경에 적합하도록 신뢰성 있는 디스플레이의 요구가 증대되고 있다^[3]. 이와 같은 요구는 가격과 성능을 동시에 고려해야 하는 현실적인 제약 속에서 더욱 두드러지고 있다. 특히 옥외 환경에서의 디스플레이는 강한 직사광선과 다양한 날씨 조건에 견딜 수 있는 특성을 갖추어야 하며, 동시에 뛰어난 밝기와 고화질을 제공해야 한다. 최근 개발된 옥외 광고용 디스플레이는 이러한 요구를 충족하기 어려운 경우가 많다^[4]. 예를 들어, 천공광 태양광 직사광 환경에서 1,500nit 이상의 밝기와 HDR(High Dynamic Range) 지원이 요구되며, 이에 따라 소비 전력도 수백 W 이상으로 증가하여 모빌리티 환경에 적용하기 어려움이 존재한다. 현재 12인치 이상의 화면 크기에 1,000nit 이상의 밝기를 가진 디스플레이는 대부분 자동차 내비게이션 시스템과 같은 소형 LCD 디스플레이에 한정되어 있다. 또한, LCD는 직사광선 아래에서 사용하기 어려운 단점이 있고, 고온 환경에서는 색감 왜곡이나 화면 밝기 저하 현상 등이 발생할 수 있다. 반사형 디스플레이는 32인치 기준 1,000USD 이상의 가격으로 경제적 부담이 있다^[5]. 현재 공원 및 광장에 설치되는 옥외 광고용 디스플레이 LCD는 삼성, LG 등에서 대량 생산하는 제품이 없기에 저가형 Edge 방식 백라이트 유닛(BLU) LCD를 사용하지만 밝기가 부족하고, 신뢰성이 낮아 수명이 1~2년에 불과하다. 이와 같은 기술적 한계는 옥외 광고 디스플레이의 확산을 저해하는 주요 요인 중 하나이다^[6].

이와 같은 기술적 제약을 해결하기 위해 EPD(전자 종이 디스플레이, Electronic Paper Display) 기술을 옥외 광고용 디스플레이에 적용하는 방법을 연구하고자 한다. EPD는 전력 소모가 극히 적고^[7], 주로 반사형 화면 방식으로 동작하여 직사광선 아래서도 높은 가독성을 자랑한다^[8]. 또한 옥외 환경에서의 디스플레이 요구사항을 충족할 수 있는 가능성을 열어주며, 에너지 절감과 장기적인 유지보수 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다^[9].

본 연구에서는 기존의 디스플레이 기술이 가지고 있는 가독성, 소비 전력, 신뢰성 및 비용의 한계를 극복하고, EPD 기술의 장점을 기반으로 한 초저전력 구동이 가능한 옥외광고용 디스플레이 설계 방안을 제시하고, 실제 환경에서 구현할 수 있는지 시제품을 제작하여 실현 가능성에 대해 검증하고자 한다.

2. EPD 장착 기구물 제작

이동성을 갖춘 모빌리티는 고정형 디지털 옥외광고와 비교해 광고 효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다.

자전거와 같은 이동 수단은 다양한 경로와 장소에서 광고를 노출시킬 수 있어, 고정된 위치에만 한정된 기존의 디지털 광고보다 더 넓은 범위까지 광고를 전달 할 수 있다. 자전거가 이동하는 동안 실시간으로 변하는 광고를 송출하기 위하여 EPD는 자전거 바퀴에 부착하였고, Fig. 1을 참고하였다. 자전거 바퀴에 적용되는 EPD의 크기는 13.3inch [285.3×213.65×2.04mm] 크기로, 해상도는 1600(H) X 1200(V) pixel를 확보하였다. 휠 내부에 디스플레이를 장착할 수 있는 공간을 확보하는 것이 중요한 설계 요소로 고려되었으며, 휠 내부 공간에 맞춰 설계된 기구물은 EPD 형상에 적합한 사각형 형태로, 원형 휠의 림 공간에 맞도록 설계되었다.

PC 커버 R/L, Inner Housing, R/L EPD, 구동 Driving Board, LED 점등용 Board로 구성하였다. PC 커버는 PMMA 재질로 3mm 두께로 설계되었으며 Inner Housing과 체결되는 구조이다. Inner Houisng은 ABS블랙 재질로 휠 바퀴와 4개의 홀로 체결되며, EPD의 이물질 투입 방지를 위해 Housing 내부 안쪽에 실리콘 O-ring을 삽입하였다. 또한 선꼬임 방지를 위해 구동 및 점등용 회로의 케이블은 블랙캡에 안착되는 구조로 설계되었다. 각 부품은 자전거 휠 내에 안정적으로 장착될 수 있도록 제작되었으며, 상세 개념도는 Fig. 2와 같다.

EPD 모듈은 휠 양단 내부에 미러 타입으로 2세트가 장착되며, 각 디스플레이 모듈의 조립 공차를 고려하여 구조 설계를 진행하였다. 이러한 공차 정밀도 범위를 감안한 설계는 EPD의 정확한 장착과 휠의 구조적 안정성을 보장하기 위해 필수적인 요소였다. 기구물의 제작은 설계된 구조를 바탕으로 구동 테스트를 진행하였다.

Fig. 1. Conceptual diagram of a hubless electric bicycle for mounting an EPD

Fig. 2. Schematic diagram of EPD

3. 야간시인성 확보를 위한 광학설계

EPD는 자체 발광 능력이 없어 야간에는 현저히 낮은 시인성을 보여, 외부 광원을 통한 시인성 확보가 야간 운행시 매우 중요한 요소이다. Fig. 3은 사이드 뷰 방식의 광원과 빔각 축소를 위한 렌즈를 적용하여 산란광을 줄이고 빔각이 최소화되기 위한 광학계를 적용한 개략도이다. 렌즈는 PMMA 재질로 설계되었으며, EPD의 표면은 Complex Scattering으로 60% 주광선 반사와 40%의 산란도로 적용되었으며, EPD의 보호 커버는 광학접합으로 투과율이 95%이상으로 설계되었다. 그 결과 투과된 광선으로 인한 휘도값은 약 80nit로 나타났으며, 균일도는 약 83%로 나타났다. 광원은 서울반도체의 초소형 CSP LED가 적용되었다.

Fig. 3. Schematic of the optical system for e-paper night visibility

4. 구동 테스트 및 균일도 측정 결과

EPD의 구동 시스템을 운용하여 실제 동작 성능을 평가하였다. 이를 위해 x86 기반의 SBC(Single Board Computer)인 라떼판다(LattePanda) 개발보드를 사용하였고, EPD 구동 회로를 연결하였다. 이 개발보드는 EPD의 전원 역할을 하였다. EPD 구동 회로와 연결을 통해 이미지를 디스플레이로 업로드하여 테스트를 진행하였으며, 흑백 및 컬러 이미지를 구현할 수 있는지 추가 테스트를 진행하였다.

그 결과, Fig. 4와 같이 EPD가 이미지를 구동시키는 것을 확인하였고, 흑백 이미지뿐만 아니라 컬러 이미지를 구현할 수 있음을 확인하였다. 이는 EPD의 다양한 광고 콘텐츠 표현 가능성을 실증적으로 입증하였다.

Fig. 4. Prototyping an EPD for bicycle advertising

컬러 전자종이의 이미지의 변환은 일반적인 디스플레이 이미지 변환 방식과는 차이가 있으며, 원본 이미지를 RGB와 휘도의 벡터 파일을 형성하고 인접 픽셀들의 색을 형성하는 방식으로 구동되어 기본적으로 실시간 이미지 전송이 아니라, 기본 이미지를 컬러 벡터로 변환된 파일화한 다음 이를 다시 EPD로 전송하는 구조를 지닌다. 이 때문에 다소 복잡한 연산에 의해 이미지는 사전에 EPD에 맞게 변환되어야 하며, 구동 시 딜레이 시간이 수 초 ~ 수십 초 존재한다. 또한, 소비전력 측정 결과 5W ~ 10W로 나타났다.

EPD 디스플레이가 옥외 광고용 디스플레이로 적합한지 평가하기 위해 디스플레이 휘도 및 휘도와 균일도를 측정하였다. 디스플레이 휘도 실험은 자연광 조건에서 EPD의 휘도를 측정하고 디스플레이가 목표치를 달성하는지 중점을 두었다.

Fig. 5에서 보여지는 것 과같이 옥외에 EPD를 설치 후 분광측색계로부터 1m 떨어진 지점에서 EPD의 중심의 휘도 측정을 진행하였다. 그 결과 목표로 했던 약 3,000cd/m² 이상의 휘도를 만족하는 수치를 나타내었으며, Fig. 6의 결과값을 확인 할 수 있었다. 디스플레이가 강한 직사광선에서도 밝게 표시될 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 5. Proceeding with brightness measurement of outdoor advertising display using EPD

Fig. 6. Brightness measurement of outdoor advertising display using EPD

Fig. 7은 디스플레이의 휘도 균일도를 평가하기 위해 디스플레이 내 지정한 5개의 지점을 나타내었으며, 5개의 지점을 활용하여 휘도 값을 측정하였다.

옥외 광고용 EPD에 적용된 조명 설계를 실제 구현을 통하여 제작하고, 휘도 균일도를 측정하였다. 휘도 균일도는 휘도의 최소값과 최대값으로 구성되며, Table 1의 휘도 측정 결과를 바탕으로 94.91%의 균일도를 보였다. 그 수식은 식(1)과 같다.

Fig. 7. 5-point luminance point for evaluating display luminance uniformity

5. EPD 전기자기적합성 측정 결과

자전거장착용 EPD의 전자파 적합성(ECM)을 평가하기 위해 전기자기적합성 전자파내성(EMS) 성능과 전기자기적합성 간섭 정도를 측정하였다. 특히, 전기자기적합성 간섭에 대한 전자파내성, 차단, 필터링, 디커플링 등의 기술 등을 적용하여 가전제품 수준의 전기자기적합성 차폐 안정성을 실증적으로 검증하였다. 본 측정은 전도성 장해 시험과 방사성 장해 시험 두 가지 항목으로 나누어 진행되었다.

전도성 장해 시험은 150kHz ~ 30MHz의 주파수 대역에서 전기자기적합성이 73dBuV 이하(KS C 9832)로 측정되는지 여부를 확인하였다. 그 결과, Fig. 8 ~ Fig. 11과 같이 적합을 나타내는 그래프를 보였다.

Fig. 8. CE_150kHz ~ 30MHz_N_Peak, AVG Measurement graphs

Fig. 9. CE_150kHz ~ 30MHz_N_QP, AVG Measurement graphs

Fig. 10. CE_150kHz ~ 30MHz_L1_Peak,, AVG Measurement graphs

Fig. 11. CE_150kHz ~ 30MHz_L1_QP, AVG Measurement graphs

전도성 장해 시험은 30MHz ~ 1GHz의 주파수 대역에서 전기자기적합성이 47dBuV/m이하(KS C 9832)로 측정되는지 여부를 확인하였다. 그 결과, Fig. 12 ~ Fig. 13과 같이 적합을 나타내는 그래프를 보였다.

Fig. 12. Re_30MHz ~ 1GHz_Peak Measurement graphs

Fig. 13. Re_30MHz ~ 1GHz_Quasi Peak Measurement graphs

1GHz ~ 6GHz의 주파수 대역에서 신호 전압 56dBuV이하(KS C 9832)로 측정되는지 여부를 확인하였다. 그 결과, Fig. 14와 같이 적합을 나타내는 그래프를 보였다.

Fig. 14. Re_1GHz ~ 6GHz_Quasi Peak Measurement graphs

6. 결 론

본 연구에서는 기존의 디스플레이 기술이 가지고 있는 한계를 극복하고, EPD 기술의 장점을 기반으로 한 초저전력 구동이 가능한 옥외광고용 디스플레이 조명의 설계 방안을 제시하였다. EPD를 고정하기 위하여 기구물을 제작하고, 구동 테스트와 휘도를 이용한 균일도 측정 및 전기자기적합성 실험을 진행하였다.

EPD 구동 시스템은 실험을 통해 흑백 및 컬러 이미지의 구현 가능성을 확인했으며, LED 광원 휘도 조절을 통한 주간 시인성 조정도 가능함을 증명하였다. 이러한 결과는 EPD가 모빌리티 환경에서 광고용 디스플레이로 활용될 수 있다는 가능성을 높이며, 에너지 효율적인 구동 시스템 설계에 대한 실현 가능성을 제시한다. 또한 휘도 실험 결과, EPD는 주간 옥외환경에서 3,000cd/m² 이상의 휘도를 충족하며, 옥외 환경의 고시인성 요구 목표치를 달성하였다. 또한 휘도 균일도 실험을 통해 디스플레이 빛의 분포를 확인하였고, 균일도는 90%이상임을 확인하였다.

전도성 장해 시험과 방사성 장해 시험을 통해, EPD 는 KS C 9832에서 요구하는 전기자기적합성 시험을 만족하며, 다양한 환경에서도 전기자기적합성 방출을 최소화하는 성능을 갖추고 있음을 확인하였다. 이는 EPD가 자전거와 같은 이동형 환경에서도 안정적으로 사용될 수 있음을 증명하였다. 본 논문에서는 이러한 EPD가 향후 모빌리티 기반의 옥외 광고용 디스플레이에 적용할 수 있는 가능성을 제시한다. 추후 이를 기반으로 EPD 기술을 적용하여 옥외광고 산업에 미칠 긍정적인 영향을 분석하고, 이를 바탕으로 바퀴에 장착된 디스플레이 제품의 내구성 실험 및 향후 관련 기술의 발전 방향을 모색할 것이다.

이 논문은 한국조명⋅설비학회 2024년도 추계학술대회에서 발표하고 우수추천 논문으로 선정된 논문임.