실감 디스플레이 결정판, 리얼 홀로그램 기술
실감 디스플레이 결정판, 리얼 홀로그램 기술
  • 황치선 ETRI 실감디스플레이연구그룹장
  • 승인 2019.01.02 09:26
  • 댓글 0
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광(光)메타 소재로 한계 극복

공간에 3차원 물체를 현실감 넘치는 이미지로 표현할 수 있는 홀로그램 기술은 궁극의 3D 디스플레이 기술로 여겨진다. 많은 공상과학 영화에서 미래의 디스플레이로 표현되고 있다. 그러나 현재 대중화된 홀로그램 공연 등은 실제 홀로그램 영상을 구현하는 것이 아니다. 반투명 반사판, 배경처리와 같은 영상 기술로 만든 유사 홀로그램 기술이다.

홀로그램 기술은 1940년대에 데니스 가버(Gabor) 박사가 전자 현미경의 해상도를 높이기 위할 목적으로 빛의 위상과 진폭을 모두 기록해 재생하는 원리를 제시하면서 시작됐다. 가버는 홀로그램의 원리를 발견한 공로로 1971년에 노벨 물리학상을 받았다. 이러한 홀로그램 기술은 1908년 노벨상을 받은 립먼(Lippman)이 빛의 간섭 현상을 이용한 컬러 표현 기술에 뿌리를 두고 있다.

초기에는 사진술을 이용한 아날로그 형태의 홀로그램 기술로 시작됐다. 이때 홀로그램 영상을 기록하기 위해서는 결맞음 빛을 물체에 투사하고 물체에서 반사된 빛을 다른 경로로 지나온 기준 빛과 중첩해 나타나는 간섭무늬를 사진 건판을 통해 고정하는 방법을 사용했다. 1980년대 이후로 전자 디스플레이가 개발됨에 따라 컴퓨터로 계산된 홀로그램 데이터를 디스플레이 장치를 통해 재현하고자 하는 디지털(혹은 전자) 홀로그램 기술이 발생하게 됐다.

삼성디스플레이가 2018년 SID 학회에서 발표한 2250ppi 5.36인치 10K×6K 패널 구조도와 영상.
삼성디스플레이가 2018년 SID 학회에서 발표한 2250ppi 5.36인치 10K×6K 패널 구조도와 영상.
ETRI가 2018년 SID 학회에 발표한 3㎛ 픽셀 간격의 2.16인치(해상도 15.6K×3.2K) 패널 사진과 홀로그램 재현 영상.
ETRI가 2018년 SID 학회에 발표한 3㎛ 픽셀 간격의 2.16인치(해상도 15.6K×3.2K) 패널 사진과 홀로그램 재현 영상.

홀로그램 기술은 기본적으로 빛의 회절, 간섭 현상을 이용한다. 입사광을 홀로그램 데이터에 맞추어 제어할 수 있는 공간 광변조 장치가 필요하다. 영상의 크기는 공간 광변조 장치의 크기 이내로 제한된다. 영상의 시야각 또한 공간 광변조 장치가 가지는 공간 주파수(픽셀 피치)에 의해 결정되어 큰 시야각을 가지기 위해서는 픽셀 피치가 작아져야 한다. 대략 30도의 시야각을 구현하기 위해서는 1㎛ 정도의 픽셀 피치가 요구된다.

아날로그 홀로그램의 경우에는 사진 건판이 이러한 공간 광변조 기장치 역할을 한다. 사진 건판 내에는 수십 나노 크기를 가지는 염화은(silver chloride, 鹽化銀) 입자가 형성되어 있다. 이러한 입자 각각이 빛을 반사하는 판 역할을 한다. 공간 광변조기기로 작용한다. 따라서 빛의 파장보다 매우 작은 픽셀 피치를 가지는 공간 광변조기가 형성되어 넓은 시야각 구현이 가능했다.

그런데 평판 디스플레이의 경우 TV나 모바일 기기 등에 일반적으로 사용되는 기기는 픽셀 간격이 10㎛ 이상이다. 홀로그램 영상의 시야각이 3도 이하로 매우 작다. 픽셀 간격이 상대적으로 작은 마이크로 디스플레이의 경우에는 패널의 크기가 1인치 이하여서 홀로그램 영상의 크기가 제한되는 단점이 있다.

가상현실(VR)·증강현실(AR) 기기 적용을 위해서는 2000ppi 이상의 초고해상도 디스플레이 개발이 필요하다. 극한으로 픽셀 크기를 줄이기 위한 연구가 진행되고 있다. 2017년 국제정보디스플레이학회(SID) 학회에서 삼성디스플레이는 픽셀 간격이 3.7㎛인 2인치급의 액정표시장치(LCD)를 발표한 바 있다. 2018년에는 같은 픽셀 간격으로 5인치급 LCD를 발표한 바 있다. 한국전자통신연구원(ETRI)에서도 3㎛ 픽셀 간격을 제공하는 반사형 LCD를 개발했다. 이를 이용한 홀로그램 영상을 2018년 SID에서 발표해 시연했다.

마이크로소프트가 발표한 VR/VR용 홀로그램 기술.
마이크로소프트가 발표한 VR/VR용 홀로그램 기술.
그래핀 옥사이드 메타 소재를 이용해 구현된 홀로그램 영상.
그래핀 옥사이드 메타 소재를 이용해 구현된 홀로그램 영상.

한편, 헤드마운트디스플레이(HMD)의 경우에는 양안(양쪽 눈)에 별도의 홀로그램 영상을 제공하고 시야 창을 사용자의 동공에 형성하는 방법을 이용한다. 상대적으로 손쉽게 홀로그램 영상 제공이 가능하다. 2017년 마이크로소프트는 시그라프(SIGGRAPH)에서 안경형 디바이스를 이용해 사용자에게 홀로그램 영상을 제공하는 기술을 선보여서 주목을 받았다.

그러나 기존 디스플레이 소자를 이용해 픽셀 간격을 줄이는 방법은 대략 1㎛에서 한계에 부딪힐 것으로 보인다. LCD의 경우 액정 자체가 가지는 탄성체로서의 특성 때문에 픽셀 간의 크로스토크(crosstalk)를 억제하는 것에 한계가 있을 것이라는 의견이 많다. 이런 기술적 한계를 극복하고 아날로그 홀로그램과 같이 나노급 픽셀을 구현하기 위해서는 또 다른 기술 혁신이 필요하다. 해답으로 메타 소재 기술이 떠오르고 있다.

메타 소재는 파동을 자유자재로 조절, 소위 ‘투명망토’를 가능하게 하는 기술이다. 메타 소재는 인공적으로 설계한 구조체를 이용한 것이다. 파장의 구조체를 형성한다. 파동에 대해 새로운 특성을 가지는 소재다. 광파 영역에서 동작하는 광(光)메타 소재의 경우에는 기본적으로 빛의 파장 이하 영역에서 빛을 제어하는 것이 가능하다.

광메타 소재는 현재 홀로그램에 사용되고 있는 공간 광변조기가 가지는 한계를 넘설 수 있다. 컬러 표현이나 복소 변조 등에 더 많은 자유도를 가질 수 있음이 보고되고 있다. 아직까지 미리 설계된 나노 구조체를 이용해 고정된 홀로그램 영상을 재현하는 수준이 일반적이지만, 상변이 소재와 같이 능동적으로 가변이 될 수 있는 소재를 이용한 능동 광메타 소자 기술이 보고되고 있다. 이를 활용하면 넓은 시야각을 가지는 동영상 홀로그램 영상의 재현이 가능할 것으로 예측된다.

이처럼 한계 극복 기술을 이용해 디스플레이 기기로 리얼 홀로그램이 영화 속의 이야기가 아니라 눈앞에서 실제로 펼쳐지는 날을 기대해 본다.


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