‘대면적 광시야각’ 가능 TV‧스마트폰 상용화 기대

LCD 패널에 박막을 추가해 대면적 광시야각을 갖는 3차원 홀로그래픽 제조 기술이 개발됐다. 스마트폰 등에 구현도 용이해 상용화가 기대된다.

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

박종찬 박사(前 KAIST 물리학과 연구원, 現 미국 일리노이대 연구원)가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 21일 자 온라인판에 게재됐다.

(a) 실제 구현된 3차원 홀로그래픽 디스플레이. 기존의 LCD 패널에 비주기적으로 설계된 박막을 부착해 구현했다. (b) 박막의 전자현미경 이미지. 박막은 약 2 마이크로미터를 가지는 비주기적으로 배열된 핀홀들로 구성됐다.

특별한 안경 없이 실감 나는 3차원 영상을 재생할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이는 오랫동안 꿈의 기술로 여겨져 왔다. 그러나 현재 기술로는 구현할 수 있는 3차원 영상은 크기가 매우 작고 시야각 또한 크게 제한돼 현실적으로 구현이 어렵다.

3차원 홀로그램을 만들기 위해서는 빛의 세기와 빛이 진행하는 방향 모두 정밀하게 변조해야 한다. 공간광파면조절기(Spatial light modulator)는 빛의 퍼져나가는 방향을 정확히 제어할 수 있는 장치다.

이때 빛이 진행하는 방향을 넓은 각도에서 정밀하게 제어하기 위해서는 기존보다 1000배 이상 많은 픽셀이 필요하다. 현재 기술로 만들 수 있는 공간광파면 조절기의 픽셀 수는 2000 x 4000개 수준으로 2차원 이미지 표현에는 충분하지만 3차원에서는 한계가 크다.

이런 조건에서 현재의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기는 약 1센티미터(cm), 시청 가능한 시야각은 약 3도 이내로 제한돼 사실상 실용화가 불가능하다.

이에 그동안 과학자들은 실용적인 홀로그램을 만들기 위해 여러 개의 공간광파면 조절기를 합쳐서 이용하거나, 사람이 인식할 수 있는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 다량의 홀로그램 이미지들을 조합해 3차원 이미지를 만들었다. 하지만 이러한 방식은 복잡한 시스템을 뒷받침할 수 있는 연구실 환경에서만 구현됐다.

(a) 기존의 홀로그래픽 디스플레이는 공간광 제어기가 빛을 넓은 각도로 회절시키지 못하기 때문에 매우 제한된 시야각을 가진다. (b) 비주기적인 박막을 이용하면 시약각을 획기적으로 늘릴 수 있다.

연구팀은 복잡한 광학계를 구성하는 대신 LCD패널과 비주기적으로 설계된 박막을 추가함으로써 기존 방식에 비해 성능이 크게 향상된 3차원 영상을 개발했다. 박막은 비주기적으로 배열된 수많은 구멍(핀홀)으로 구성되는데 핀홀은 빛을 넓은 각도로 퍼뜨리기 때문에 형성된 3차원 영상을 넓은 각도에서 볼 수 있다.

연구팀은 이론에 따라 설계된 박막을 기존 디스플레이의 LCD패널에 부착했고, 실험을 통해 약 3cm×3cm의 화면에서 약 30도의 시야각을 가지는 3차원 홀로그램 영상을 구현하는 데 성공했다.

이는 기존의 Full HD 홀로그래픽 디스플레이로 표현할 수 있는 공간대역폭 보다 약 400배 이상 향상된 결과이다. 또한 3가지 색(적색, 녹색, 청색)을 나타내며 60Hz로 작동하는 동적 홀로그램 역시 구현했다.

60 Hz로 동작하는 3차원 동적 컬러 홀로그램.

연구팀의 지난 2016년 기술(Nature Photonics 게재)은 산란을 이용해 홀로그래픽 디스플레이 품질을 향상시켰지만, 복잡한 계산과 큰 부피의 장비가 필요했다. 이번에는 일반 LCD 패널에 비주기적인 박막만 추가하면 된다. 상용화가 기대되는 부분이다.

1 저자인 박종찬 박사는 “홀로그래픽 디스플레이의 상용화를 위해서는 넓은 시야각과 큰 영상 크기뿐 아니라 소형 폼팩터를 유지해야 한다. 이번 연구에서는 평면형 디스플레이에서 대면적 광시야각 홀로그래픽 디스플레이를 구현했다”라며 “스마트폰이나 태블릿 등 휴대용 기기에서 홀로그래픽 디스플레이를 구현하는 기반기술이 될 것으로 기대한다”라고 말했다.