[228호 과학학술 : 홀로그램의 원리와 그 응용기술]

공상과학영화 속에 종종 등장하여 친숙한 홀로그램은 빛을 통해 3차원적인 영상을 재생할 수 있는 기술이다. 홀로그램에대한 본격적인 연구가 시작된 지는 오래되지 않았으나, 상당한 학문적 성과를 이뤘다. 또한 앞으로 상당한 잠재성을 가지고 있는 분야이며, 이를 활용한 다른 분야의 기술도 발전할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 이에 본보에서는 홀로그램의원리와 관련 기술의 흐름, 앞으로의 활용 가능성에 대해 알아보고자 한다.

 

영화 <아이언맨 IronMan>의 토니 스타크(Tony Stark)가 홀로그램의 크기를 손동작으로 조절하고 홀로그램을 통해 자신의 인공지능 컴퓨터에 명령을 내린다. 이제는 고전 명작이 되어버린 스타워즈 시리즈부터 최신 영화에 이르기까지 지난 수십 년간 ‘홀로그램’이라는 단어는 우리의 상상력을 자극해 왔다. 홀로그램은 광범위한 의미에서 허공에 떠 있는 3차원 영상을 나타내는 단어로 인식됐다. 현재 우리는 과거 영화 속에서만 존재할 것 같았던 3차원 디스플레이 기술을 3D 영화관과 각종콘서트 등에서 접할 수 있다. 그러나 안경을 사용해야 하는 3D 영화관이나 콘서트 등에서 사용되는 3차원 영상기술과 실제 홀로그램과는 기술적으로 큰 차이가 존재한다. 현실의 홀로그램과 영화에서 보여주는 홀로그램을 비교하면 영상의 입체감 등에 있어 부족한 점이 있는 것도 사실이다. 그렇다면 360도에서 관측할 수 있고 눈에 피로감이 전혀 없는 홀로그램 영상을 우리가 일상생활에서 접할 수 있는 시기는 과연 언제쯤일까? 지금의 홀로그램 기술 수준은 어느 정도까지 도달해 있을까? 또한, 일반인들에게 흔히 알려진 홀로그램 콘서트 등에서 사용하는 기술과 실제 홀로그램 기술에는 어떤 차이가 있을까? 본고를 통해 영화에서의 홀로그램과 같은 수준에 도달하기 위해 보고되고 있는 홀로그램 분야의 최신 연구결과들에는 어떤 것이 있는지 살펴보고자 한다.

 

홀로그램의 원리

홀로그램(Hologram)은 그리스어에서 전체를 뜻하는 ‘Holos’와 의미·정보를 뜻하는 ‘Gramma’가 합쳐진 단어로, 어원 그대로 빛이 가지고 있는 모든 정보를 담는다는 의미를 갖고 있다. 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선은 약 400㎚에서 700㎚의 파장을 지니는 전자기파이기 때문에, 파동 고유의 특성인 진폭(Amplitude)과 위상(Phase)을 지니게 된다. 이 중 파동의 진폭은 광원의 밝기를 결정하며, 위상은 물체가 관측점으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 판단하는 데 있어 중요한 정보를 제공한다. 예를 들면, 연못에 똑같은 돌을 하나는 가까운 곳에, 다른 하나는 먼 곳에 던진다고 생각해 보자. 각각의 돌이 떨어진 위치로부터 원형으로 물결파가 생성된다. 가까운 곳에 떨어진 돌에서 관측자에게 도달하는 물결파는 곡률반경이 작기 때문에 원형이나 포물선에 가깝게 파면이 관측될 것이다. 상대적으로 먼 곳에 떨어진 돌에서 관측자에게 도달하는 물결파는 평면파에 가까울 것을 짐작할 수 있다. 이처럼 가까운 곳과 멀리 떨어진 광원의 두 파면 모양이 서로 다르기 때문에 물체의 원근감을 인지할 수 있는 것이다. 이 파면을 파동 고유의 특성인 ‘위상’으로 볼 수 있다. 일반적인 디스플레이는 계조(Gray level)로 표현되는 밝기 정보만을 토대로 이미지를 형성한다. 홀로그램이 2차원 디스플레이 및 양안시차를 이용하는 여타의 3차원 영상기술들과 차별되는 점은 물체의 위상 정보를 기록하고 이를 재생해 낼 수 있는 것이다. 물체가 지니는 상하좌우의 2차원 정보뿐 아니라, 앞뒤 정보인 깊이정보까지도 완벽하게 표현할 수 있다.

그렇다면 홀로그램은 어떠한 원리로 빛의 위상을 기록할 수 있는 것일까? 1948년 헝가리 부다페스트 출신의 영국 물리학자인 데니스 가보르(Dennis Gabor)는 빛의 간섭 현상을 이용함으로써 그 해답을 최초로 제안했다. 파동의 성질 중 하나인 간섭은 두 개 이상의 파동이 합쳐졌을 때 두 파동 사이의 위상 차이에 따라 파동이 보강 혹은 상쇄되는 현상이다. 가보르는 간섭을 이용하면 위상 정보를 가시화하고 기록할 수 있다는 점에 착안하여 수은 램프로부터 발생하는 광원을 필터링했다. 이후 이를 두 개의 광원으로 나누고 한쪽 광원은 물체를 통과시킨(물체파,Object wave) 뒤, 분리했던 광원(참조파, Reference wave)과 합쳐 두 광원의 간섭무늬를 감광제를 이용하여 기록했다. 이 간섭무늬에는 물체파가 지닌 위상 정보가 그대로 저장되어 있기 때문에, 추후 간섭무늬를 기록할 때 사용한 참조파를 그대로 쪼여주게 되면 기록했던 물체파가 지닌 정보가 그대로 재생된다. 이처럼 간섭무늬를 기록하기 위해 물체파와 참조파를 동시에 쪼여주는 과정을 ‘홀로그램의 기록 과정’이라 하고, 만들어진 간섭무늬에 참조파를 쪼여 물체파를 다시 만들어내는 과정을 ‘홀로그램의 재생 과정’이라 한다(그림 1). 가보르가 홀로그램을 제안했던 시절에는 아직 레이저(Laser)가 개발되기 전이었다. 그렇기 때문에 가간섭성이 뛰어난 광원을 마련하는 것과 홀로그램을 제작하는 것은 매우 어려운 일이었다.1960년 Hughes사의 테오도르 해롤드 메이먼(Theodore Harold Maiman)이 루비를 사용한 레이저를 개발한 이후, 기체 레이저 및 반도체 레이저 기술이 발전함에 따라 홀로그램의 보급이 점차 늘어나게 되었다.

 

▲(그림 1 ) 아날로그 홀로그램의 제작 과정                                                                     ⓒ 필자 제공

 

디지털 홀로그램과 홀로그램 영상 기술

가보르에 의해 구현된 것과 같이, 간섭무늬를 직접 형성하여 홀로그램을 제작하는 아날로그 방식은 간섭무늬를 오랜 시간 지속시킬 수 있어야 기록이 가능하기 때문에 고성능의 레이저 광원이 필요하다. 결정적으로 폴라로이드 사진과 같이 건판에 한 번만 기록이 가능하고, 또 정지된 이미지만을 기록할 수 있다는 단점을 지니고 있다. 반면, 물체파는 3차원 물체로부터 회절되어 만들어지는 광파다. 그러므로 기존에 잘 알려진 광학 이론들인 프레넬 회절 이론(Fresneldiffraction)과 하위헌스의 원리(Huygens’principle) 등을 이용해 가상의 물체로부터 만들어지는 물체파를 계산할 수 있다. 물체파의 직접적인 기록 과정을 생략하고 그 대신 계산된 물체파를 사용하여 홀로그램의 간섭무늬를 형성해 재생하는 방식을 ‘디지털 홀로그래피’라 한다. 아날로그 홀로그래피와 디지털 홀로그래피의 차이점을 2차원 이미지에 빗대어 설명하자면, 필름 사진기와 디지털카메라로 비교할 수 있을 것이다. 디지털카메라의 가장 큰 장점은 동영상 촬영이 가능하다는 점이고, 단점은 화소를 기록하는 픽셀 크기의 한계로 인해 해상도의 한계가 존재한다는 점이다. 아날로그 홀로그램과 디지털 홀로그램이 지니고 있는 장단점 또한 이와 매우 비슷하다. 차이가 있다면 2차원 디지털 이미징 기술의 경우, 이미 기술적으로 체감 한계 해상도에 다다랐다는 점이다. 사람의 눈으로 분간하기 어려운 수준으로 픽셀이 만들어지면 해상도는 충분하다고 판단되는데, 최근 우리가 쉽게 접할 수 있게 된 4k나 8k급의 초고선명 텔레비전(UHD TV)의 경우 실사와 분간이 어려울 정도의 높은 해상도임을 인지할 수 있다. UHD급 TV의 단위 픽셀 크기는 약 10~20㎛ 수준이고, 이미 상용화되어 일상생활에서 쉽게 접할 수 있다.

그러나 홀로그램은 궁극적으로는 빛의 간섭무늬, 즉 물체파가 지닌 위상 정보를 온전하게 기록해야 하기 때문에 이상적으로는 빛의 파장(약 400~700㎚) 이하 수준의 픽셀 크기를 필요로 한다. 이는 아날로그 홀로그램에서는 크게 문제가 되지 않았던 부분이지만, 디지털 홀로그램에서는 큰 이슈가 되고 있다. 현재까지 상용화된 디스플레이 장치 중 가장 작은 픽셀 크기를 지니는 장치가 아직 3~4㎛ 수준이기 때문이다. 이처럼 큰 픽셀을 가지고 디지털 홀로그램을 재생할 경우, 회절각 공식에 의해 결정되는 시야각의 한계를 지니게 된다. 적색광(파장 650㎚)을 가정했을 때 4㎛ 픽셀은 약 ±4.66도의 시야각밖에 제공하지 못하는 것이다.

또한, 홀로그램 영상을 표현하기 위한 디스플레이 장치도 기존의 진폭만을 표현하는 디스플레이 장치들과는 차별화된 위상을 표현할 수 있어야 홀로그램 생성에 유리하다. 디지털 홀로그램 영상을 만들어내는 데 가장 많이 사용되는 장치인 공간 광변조 장치(Spatial Light Modulator, SLM)는 위치에 따라 빛의 진폭 혹은 위상을 조절할 수 있는 장치다. 이 역시 현재 기술로는 3~4㎛ 수준의 픽셀 크기를 가지는 것이 한계이다. 최근 한국전자통신연구원(Electronicsand Telecommunications Research Institute, ETRI)을 비롯한 국내 기업에서 픽셀 크기를 1~2㎛급으로 줄인 공간 광변조 장치를 개발하고자 큰 노력이 이루어지고 있으니, 홀로그램 영상을 우리가 일상생활에서 자연스레 접하게 될 시점도 아주 먼 미래는 아닐 것으로 기대한다. 다음 절에서는 픽셀 크기를 줄이거나, 다양한 방식으로 시야각을 확장하고자 하는 최신의 홀로그램 광학 기술들을 소개하고자 한다(그림 2).

 

▲(그림 2) 다양한 디스플레이 장치들의 픽셀 크기와 홀로그램의 회절각                                     ⓒ 필자 제공

 

최신의 홀로그램 광학 기술들

앞 절에서 설명한 것과 같이, 디지털 홀로그래피의 시야각과 해상도는 공간 광변조 장치의 성능, 특히 픽셀 크기에 의해 결정된다. 그렇기 때문에 홀로그램의 성능을 개선하기 위한 연구는 크게 두 방향에서 접근하고 있다. 공간 광변조 장치의 자체 성능을 향상시키고자 하는 연구와 기존의 공간 광변조 장치의 픽셀 크기를 유지하면서도 시분할이나 편광분할 등의 다양한 방법을 통해 홀로그램 성능 특성을 개선하고자 하는 연구다.

후자의 경우, 2015년 한국전자통신연구원에서 이루어진 연구 결과는 기존의 공간 광변조 장치를 이용함과 동시에 회전하는 광학계와 시분할 방식의 인코딩을 적용하여 이전까지 10도 이내의 시야각을 지닌 홀로그램 영상을 360도로 확장했다. 또한 렌즈를 비롯한 광학계를 적용하여 RGB의 3원색을 동시에 보여줄 수 있으며, 홀로그램 동영상의 크기를 3㎝ 수준까지 확장하는 데 성공했다. 우리가 홀로그램 콘서트 등에서 쉽게 볼 수 있는 3차원 공연은 ‘플로팅 디스플레이(Floating display)’라는 방식으로 45도로 기울어진 유리판을 두고 하단부에서 2차원 이미지를 틀어주는 것이다. 이것은 이미지가 허공에 떠 있는 것과 같이 보이게 하는 방식인데, 실제로는 깊이감이 없는 2차원 이미지를 허공에 보여주는 것이다. 이와 달리 한국전자통신연구원에서 개발된 홀로그램 영상은 디지털 홀로그램 방식을 이용해 플로팅 디스플레이 방식보다 더 자연스러운 깊이감을 보여줄 수 있다. 또한, 작년 KAIST의 박용근 물리학과 교수팀은 간유리(Diffusing glass)를 사용하여 기존의 공간 광변조기를 사용하면서도 홀로그램의 시야각을 크게 확장하는 연구결과를 소개한 바 있다. 이 방법을 통해 약 35도 수준의 시야각을 얻을 수 있었으며, 홀로그램 크기와 시청 가능 각도의 곱으로 이루어지는 공간대역폭 값 또한 2,000배 이상 증가시켰다. 그러나 이는 간유리의 투과특성을 정확히 파악해야 한다는 단점을 지니고 있어, 홀로그램 이미지를 만들어 내기까지 많은 시간이 소요된다는 단점을 지니고 있다.

공간 광변조 장치의 자체 성능을 개선함으로써 홀로그램의 성능을 개선하고자 하는 연구로는, 픽셀 크기를 현재 수준보다 대폭 줄이기 위해 기존의 액정을 이용한 위상 변조 방식을 벗어나고자 하는 노력이 보고되고 있다. 2017년 한국전자통신연구원과 경북대학교의 공동 연구를 통해 상전이(相轉移) 물질을 이용한 광변조 픽셀과 이 원리를 바탕으로 한 홀로그램 이미지에 관한 연구결과가 보고됐다. 상전이 물질은 액정과는 달리 근접한 픽셀끼리 발생하는 교차효과(Crosstalk)가 없고, 1㎛ 이하의 공정도 가능하기 때문에 안정적 구동만 보장된다면 큰 잠재력을 지닌 차세대 공간 광변조 장치가 될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 최근에는 서울대학교 이병호 교수팀을 포함한 4개 대학의 공동 연구에서 빛이 지닌 위상 정보와 진폭정보를 동시에 그리고 독립적으로 표현할 수 있는 홀로그램 패널의 개발이 이루어진 바 있다. 이 같은 방식을 ‘복소 변조’라고 한다. 복소 변조 방식을 사용하면 공액상(Conjugate image)이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 패널과 상이 아주 가까운 경우에도 홀로그램 이미지의 왜곡이 존재하지 않게 된다. 이 홀로그램 패널에 사용된 방식은 메타표면(Meta-surface)이라 불리는 새로운 소자로 광학적 투과 특성을 조절할 수 있는 단위 원자 구조를 주기적으로 배열하여 원하는 홀로그램 파면을 얻어내는 방식이다. 단위 원자 구조의 주기는 약 300㎚ 수준으로 빛의 반파장 수준이기 때문에 아주 자연스러운 홀로그램 이미지를 형성하는 것이 가능하게 된 것이다. 그러나 메타표면기술은 아직까지 정적인 이미지 구현에 국한되어 있고, 최근에는 이를 능동적으로 제어하고자하는 연구 결과들이 보고되는 상황이다.

 

 

▲(그림 3) 홀로그램 광학의 응용 분야                                                                         ⓒ 필자 제공

 

홀로그램 광학의 전망과 응용 분야

홀로그램은 빛의 위상 정보를 간섭 패턴의 형태로 기록함으로써 3차원 공간상의 정보를 2차원 평면에 기록한다. 앞에서 살펴본 바와 같이 홀로그램은 타 스테레오스코픽(Stereoscopic) 3차원 영상 기술들과는 달리, 착시 현상이 아닌 양안시차에 의한 3차원 정보 자체를 기록하기에 눈에 피로감이 매우 적고 자연스러운 영상을 보여줄 수 있다. 이러한 장점들을 바탕으로 홀로그램은 단순히 3차원 영상을 관측하는 것을 넘어서 최근 많은 관심을 받는 증강현실(AugmentedReality, AR)과 혼합현실(Mixed Reality, MR) 기술에 적용되어 일상생활에 응용될 수 있다. 뿐만 아니라 의료기술의 발달과 더불어 많은 발전이 이루어지고 있는 원격 수술, 가상전투 및 가상회의와 같은 군사적 응용 분야를 비롯한 다양한 응용 분야를 지닐 수 있을 것으로 기대한다.

또한 홀로그램 기술의 발전은 회절광학을 기반으로 하는 다양한 광학 소자들의 개발에도 적용될 수 있다. 3차원 정보를 2차원 공간 안에 저장할 수 있다는 큰 장점은 홀로그래픽 메모리(Holographic Memory)라 불리는 차세대 메모리 기술에 적용될 수 있으며, 이는 현 저장매체의 용량을 수백 TB급으로 올릴 수 있을 것으로 기대한다. 우리가 잘 알고 있는 홀로그램 스티커는 홀로그램 패턴이 지니는 복잡도로 인해 정보의 암호화 및 보안카드 등에 사용되고 있다. 홀로그램의 원리를 기반으로 하는 광소자들은 기존의 렌즈, 거울 같은 광학 부품들의 초소형화를 가능하게 해 준다. 소형화된 홀로그래픽 광학 소자(HolographicOptical Element, HOE) 등은 미세 반도체의 리소그래피 공정이나, 초소형 로봇 내에 탑재될 수 있는 광학 렌즈 등에 응용될 수 있을 것이다. 더 나아가 최근에는 인공지능에 시각을 주고자 하는 컴퓨터 비전 등과 같은 차세대 시각 인식 기술들이 활발하게 개발되고 있다. 홀로그램의 원리를 이용해 더욱 정확한 3차원 정보를 인식시키고 이를 응용하여 자율주행자동차의 위치 감지 시스템, 로봇 간 인식 시스템 등 다양한 광 시스템들로 응용 분야가 확장될 수 있을 것으로 기대한다.

이 승 열 / 경북대학교 전자공학부 교수

 

작성자: khugnews

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