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빛의 산란 현상 조절로 성능 수천배 향상된 홀로그래픽 기술 개발
간 유리를 사용해 회절각 넓혀 좁은 시야각 문제 해결 … 빛의 위상을 제어해 원하는 지점의 세기를 높여 보다 정교한 상 제작해
[431호] 2017년 03월 14일 (화) 김승후 기자 mind9063@kaist.ac.kr

  물리학과 박용근 교수 연구팀이 성능이 2천 배 이상 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술을 개발했다. 이번 연구를 통해 기존의 무안경 홀로그래픽* 기술의 가장 큰 문제점이었던 회절각이 작아서 영상의 크기가 제한적이었던 점을 해결하고 좁았던 시야각을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다. 유현승 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 광학 분야의 국제 학술지인 <네이처 포토닉스(Nature Photonics)> 1월 24일 자 온라인판에 게재됐다.

기존 기술로는 어려운 3D 영상 제작

  3D 안경을 끼고 3D 영상을 보는 것은 실제로 3차원의 영상을 보는 것이 아니다. 이는 2개의 2차원 영상을 동시에 보여줘서 마치 3차원의 이미지를 보고 있는 것처럼 느끼게 하는 원리를 이용한 것이다. 현재 기술로서는 공상과학영화에 나오는 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 구현해내는 것이 아직 어렵다. 기존의 3차원 영상 제작은 LCD 모니터에서 만들어 내는 2차원 영상들을 무수히 많이 겹쳐서 만들어내는 원리이므로, 크고 연속한 영상을 정교하게 만들어내는 것에는 한계가 있었다.

회절각 넓히기 위해 간 유리 사용해

  연구팀은 하나의 LCD 모니터로 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 만들기 위해 표면이 매끄러운 유리가 아닌 표면을 갈아낸 유리를 사용했다. 간 유리를 통과한 빛은 무작위 방향을 가지고 회절각이 크기 때문에 여러 각도에서 그 빛을 볼 수 있다. 기존에 사용하던 매끄러운 유리는 픽셀의 크기가 커 회절각이 1도 미만으로 매우 작아 여러 방향에서 빛을 보는 것이 불가능했다. 회절각은 3차원 상을 볼 수 있는 범위를 결정하는 중요한 요소다. 하지만 무작위로 퍼져나간 빛은 특별한 제어를 해주지 않으면 제대로 된 3차원 영상을 볼 수 없다는 한계가 있었다.

위상 제어해서 특정 부분 빛 세기 높여

  연구팀은 간 유리를 통과한 빛이 나아가는 일정한 패턴을 수학적으로 분석해 쏘아주는 빛의 방향을 공간 광 파면 조절기를 이용해 조정했다. 공간 광 파면 조절기**를 이용하면 진행하는 빛의 위상을 제어할 수 있다. 이렇게 빛의 위상을 제어하면 빛의 간섭현상을 조절할 수 있으므로, 원하는 지점에서의 빛의 세기를 더욱 강하게 만들 수 있다. 연구팀은 이런 원리로 간 유리를 통과해 나온 무작위한 빛에서 특정 부분의 세기를 높여 원하는 영상을 만들어냈다.

성능 향상뿐 아니라 상용화도 기대돼

  연구팀은 실험을 통해 가로, 세로, 높이 2cm 영역에 약 35도의 회절각을 갖는 3차원 이미지를 제작하는 데 성공했다. 연구팀이 제작한 이미지는 기존의 회절각을 가지는 이미지보다 수천 배 이상 향상되었다. 연구팀의 홀로그래픽 디스플레이는 기존의 공간 광 파면 조절기에 간 유리를 추가하는 것만으로 간단하게 제작할 수 있어, 일반적인 디스플레이 장치와 결합해 쉽게 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

정교한 상 제작이 앞으로 연구 방향

  하지만 앞서 말했듯, 이 방법은 무작위로 나온 빛 중 특정 부분의 세기를 높인 것이기 때문에 잔상이 남아 상의 선명도가 낮다. 그래서 연속하고 촘촘한 상을 만드는 데에 한계가 있다. 좀 더 정교하고 선명한 3차원 상을 만들어 내는 것이 연구의 개선 방향이다. 그리고 무작위로 나온 빛들의 수학적 패턴을 찾아내는데 한 시간 이상 걸리기 때문에 이 시간 역시 앞으로의 연구를 통해 줄여나가야 한다.

  이번 연구의 제1 저자인 유현승 박사는 “기존에는 빛을 이용해 영상을 만들 때 산란이 일어나는 것은 피해야 할 현상으로 여겨졌다”라며 “이 산란을 이용해 3차원 홀로그래픽 영상을 만들어냈다는 점이 큰 의미가 있다”라고 연구의 의의를 전했다.

   
▲ 픽셀의 크기에 따라 다른 시야각 - 박용근 교수 제공
픽셀의 크기에 따라 빛이 회절되는 각도가 달라서 물체를 볼 수 있는 시야의 범위가 다르다.

홀로그래피*
  두 레이저가 만나 일으키는 간섭 현상을 이용해 입체 정보를 기록, 재생하는 기술

공간 광 파면 조절기**
  서로 다른 부분에 서로 다른 빛의 위상을 발생 시킬 수 있는 장치. 입사되는 빛의 성분을 조절해 원하는 부분에 특정한 위상의 빛을 통과시킴.

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