기술책임자 : KAIST 박용근 교수

KAIST(총장 신성철) 물리학과 박용근 교수 연구팀이 안경 없이도 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 재생할 수 있는 기술을 개발했다. 특히, 연구팀의 기술은 초박형 구조로 기존 디스플레이 생산 공정과 호환 가능하며, 대면적 광시야각을 확보해 3차원 디스플레이 기술을 한 단계 진보시켰다.

연구 개요

3차원 홀로그래픽 디스플레이는 오랫동안 꿈의 기술로 여겨져 왔으나, 공상과학 영화에서 볼 수 있는 3차원 이미지는 실제 구현 되지 못하였다. 현재 기술로 얻을 수 있는 3차원 홀로그램 이미지는 명함 크기보다도 작은 1cm 수준의 크기를 가지며 시야각 또한 3도 이내로 극히 제한적이다.

이 한계를 이해하기 위해서는 우선 공간광파면조절기(Spatial light modulator)에 대한 이해가 필요하다. 공간광파면 조절기는 빛의 퍼져나가는 방향을 정확히 제어할 수 있는 장치로서, 보는 방향에 따라 다르게 보이는 3차원 이미지를 만드는데 있어서 핵심적인 역할을 한다. 현재 기술로 만들 수 있는 공간광파면 조절기의 픽셀 수는 2,000 x 4,000 개 수준으로서, 이는 컴퓨터 모니터와 같이 2차원 이미지를 표현하기에는 충분한 양이다. 하지만 3차원 이미지를 생성하기 위해서는 최소한 이보다 1,000배 이상 많은 픽셀 수가 필요하다.





정해진 픽셀 개수에 대해, 영상 크기와 시야각은 항상 반비례한다. 즉 영상 크기를 늘이면 시야각은 줄어들고, 시야각을 늘이면 영상 크기는 줄어든다. 영상크기와 시야각을 동시에 늘이기 위해서는, 픽셀 수를 늘여야만 한다. 하지만 현재 기술로는 고집적도의 공간광파면 조절기의 제작이 어렵기 때문에, 3차원 홀로그래픽 디스플레이는 그동안 실용화 되지 못하고 연구 단계에만 머물렀다.

연구에서는 공간광파면 조절기를 이용하는 대신, 기존의 LCD 패널에 비주기적으로 설계된 박막을 추가함으로써, 기존보다 향상된 시야각을 갖는 3차원 영상을 형성할 71수 있음을 보였다. 우선 빛을 매우 작은 핀홀들로 구성된 박막을 투과시켰다. 핀홀은 빛을 넓은 각도로 산란시키기 때문에 박막을 투과해서 형성된 3차원 영상은 넓은 각도에서 시청 가능하다. 하지만 산란된 빛은 무작위한 영상을 나타내므로, 특별한 제어 없이는 원하는 3차원 이미지를 나타내지 못한다. 본 연구에서는 핀홀의 배열구조와 원하는 3차원 홀로그램 영상 사이의 수학적 상관관계를 이용함으로써, 실감나는 3차원 홀로그램 영상을 구현하였다.

연구팀은 이론에 따라 설계된 박막을 기존 디스플레이의 LCD패널에 부착하였고, 실험을 통해 약 3cm × 3cm의 화면에서 약 30도의 시야각을 가지는 3차원 홀로그램 영상을 구현하는데 성공하였다. 이는 기존의 FHD 홀로그래픽 디스플레이로 표현할 수 있는 공간대역폭 보다 약 400배 이상 향상된 결과이다.

기존의 LCD 패널에 박막만을 추가함으로써 3차원 홀로그램을 구성하였기 때문에 기존의 LCD 제조공정에 한 단계만을 추가하는 것으로 3차원 홀로그램의 대량생산이 가능하다. 또한 기존의 평면형 폼팩터를 유지하기 때문에 TV나 모니터뿐만 아니라 스마트폰이나 태블릿 등 휴대용기기에 적용가능한 상용화에 근접한 기술로 볼 수 있다. 또한 연구진은 3가지 색(적색, 녹색, 청색)을 나타내며 60 Hz로 작동하는 동적 홀로그램을 구현하였다.