Microsoft Word - 임용근

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1 실감홀로그래픽디스플레이상용화전망 임용근 * 미래에는홀로그램으로인해우리의주변과바로앞에있는것같이멀리있는친구와스마트폰또는스마트워치에서허공으로띄운상대방 3차원얼굴을보면서실감있게대화를나누는시대가오지않을까? 우리의마음속에서이러한것들이이루어지면좋겠다하는것이바로고객의마음이다. 본고에서는유사홀로그램뿐만아니라실제시장에서출시될홀로그램의제품동향을알아보고, 우리주변에서실감할수있는진정한 3차원홀로그램동영상을언제볼수있는지여부와함께그상용화전망에대해알아보고자하며, 현재제품및기술동향, 시장및제품전망에대해다루었다. 향후휴대폰에서도진정한홀로그램영상이시현되는제품을접해볼수있을것이다. 미래에는비교적적은데이터로 3차원홀로그램을구현하는기술에대한차별화전략, 가격, 경쟁관계등다각도로접근해야앞으로다가오는홀로그램제품도상용화에성공할수있을것이다. 목 차 I. 서론 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 홀로그램제품및관련기술동향 Ⅲ. 홀로그램상용화전망 Ⅳ. 맺음말 * 나노아이 / 대표이사 우리의주변에홀로그램을볼수있고, 바로앞에서홀로그램영상이진행되는시대, 가상현실로멀리있는친구와스마트워치에서허공으로띄운상대방얼굴을 3 차원으로보면서실감있게대화를나누는시대, 모바일기기화면의원하는곳을터치하면바로옆에서 3 차원홀로그램영상과함께다양한콘텐츠를접하는시기가오지않을까? 사용자가실감있는다양한맞춤형경험위주의 3 차원영상표현콘텐츠생성및시나리오창작기능이있으므로보다효율적으로문화와어학을동시에익힐수있는시기가언젠가올것같은데, 우리의마음속에서이러한것들이이루어 정보통신기술진흥센터 1

2 주간기술동향 지면좋겠다하는것이바로고객의마음일것이다. 최근초다시점무안경식 3 차원디스플레이기술, 완벽한 3 차원영상을재현하는실감 3 차원홀로그램기술이주목을받고있다. 홀로그래피기술원리는이미 1940 년대에발견되었고, 우리주변여기저기에서홀로그램을자주볼수가없으나대형극장이나광고판에서가끔그영상을볼수있을뿐이다. 그것도진정한홀로그램이아니고유사홀로그램이다. 본고에서는실제시장에서출시되는홀로그램의제품동향을알아보고, 우리주변에서실감할수있는진정한 3 차원홀로그램동영상을언제볼수있는지여부와함께그상용화전망에대해알아보고자하며, 현재제품및기술동향, 시장및제품전망에대해다루고자한다. II. 홀로그램제품및관련기술동향 홀로그램에는홀로그램처럼보이게하는유사홀로그램과 3 차원홀로그램두가지종류로분류해볼수있다. 관련제품의원리와종류, 기술동향에대해설명하고자한다. 유사홀로그램은홀로그래피에의해생성된 3 차원사진과유사한홀로그램이다. 반 ( 半 ) 투과스크린과다 ( 多 ) 시점입체영상등을사용하여마치 3 차원영상을보는홀로그램과비슷한효과를낸다. 유사홀로그램은투명막을이용하는플로팅 (floating) 방식이나실제사물과디지털영상을합성하는방식등을사용한다 [1]. 플로팅홀로그램이라고도하며, ( 그림 1) 과같이투명한스크린 (20) 을 45 각도로무대 DLP 프로젝트 (12) 로영상재생 투영된홀로그램영상 (26) 앞에서공연자혹은발표자 (40) 는홀로그램영상과상호작용하여공연하거나광고발표등을진행할수있음 반사경 (14) 에반사된영상은 45 각도로설치된투명호일 (20) 에투영되어마치허공에떠있는것같은홀로그램영상이무대뒤편 (26) 에나타나게됨 < 자료 >: 한국콘텐츠진흥원 ( 그림 1) 플로팅홀로그램 2

3 < 자료 >: Hatsune Miku 사 ( 그림 2) 스마트폰에적용된플로팅홀로그램 (30) 위에설치하고, 무대밑의관객 (38) 은프로젝터 (12) 에의해투사되어투명한스크린에나타난허상 (40) 이스크린뒷면에있는것을보게되어마치영상 (40) 이공중에서재현되는듯한느낌이들게한다. 최근많은무대공연에서이러한영상을접해볼수가있다. 이원리를사용하여스마트폰의영상을홀로그램처럼보이게하는제품이출시되었으며, 일본 Hatsune Miku 사의 HAKO VISION 이그예로, 간단하게위와앞면이트인상자안에투명스크린을 45 각도로설치한제품이다. 상자위에스마트폰을올려놓고스마트폰에서재현되는동영상을투명스크린에투사하면, 고객은마치그영상이허공에있는듯한느낌을가지게된다또한, 최근에는이러한플로팅홀로그램을활용하여광고시장에출품한제품들이있다. 홀로큐브라는제품은영상을광고용으로하기위해큐브형태로만들어진장치를지칭한다. 투명스크린을피라미드형태로 4 면으로제작하여 4 개의영상을투영하면 3 차원영상을볼수있으며, 이러한제품은광고및전시, 게임용으로출시되고있다. Holocube HC10 3D Holocube ( 그림 3) 광고또는게임에적용된홀로큐브제품홀로그램챔버라는제품은아주간단한구조의홀로그램프로젝터로 ( 그림 4) 와같이구형거울을밑에두고반대로홀이있는접시모양의반구의중앙홀위로 3 차원허상이보이는구조이다. 정보통신기술진흥센터 3

4 주간기술동향 How does the hologram chamber work? < 자료 >: ( 그림 4) 홀로그램챔버인터넷등에서휴대폰의화면위로 3 차원동영상이재현되는홀로그램영상을자주접하게되지만, 실제로는대부분이포토샵등으로작업한영상이고인터넷이나동영상또는사진으로볼수있으나아직은휴대폰으로출품되지않았다. 이러한영상을실현하려면어마어마한데이터트래픽과이와관련된광학기술이개발되어야한다. 휴대폰에이와비슷한홀로그램과같거나 3 차원영상을볼수있는기술또는제품에대한경우를살펴보면다음과같다. 먼저, 3 차원영상은 3 차원깊이 (depth) 가적용된양안시차가있는두개의서로다른영상이좌안과우안으로각각별도로볼때, 두뇌에서는 3 차원으로인식되는원리가적용된다. 처음에는편광안경등이사용되었고, 근래에는무안경식디스플레이가개발되어출시중이나무안경 3D 의경우, 시야각은작아진다. 즉, 양쪽으로약간멀리이동하여보는경우, 3D 이미지가없어질수있으므로, 여러각도에서볼수있는 3 차원디스플레이를무리없이구현하려면다시점영상을구현해야한다. 최근에는미국의 HP 사에서 64 시점 3 차원동영상까지구현되어의학용트래이닝또는게임등모바일폰에서응용될수있는기술이개발되었다. 미터거리까지도가시거리로 180 의매우넓은시야각영역에서고해상도의전체패럴랙스 3D 이미지의렌더링을 - 좌측사진 : 투명기판에서보여주는 RGB 색상의 HP 로고에대한 3D 이미지로모바일장치에응용됨. - 중간그림 : HP 로고구현을위한백라이트표면의전자주사현미경사진 ( 격자픽셀의밀집배열 ) ( 그림 5) HP 사의 64 시점 3 차원백라이트디스플레이기술 4

5 ( 그림 6) 아마존사의 Fire Phone- 동적원근법기술허용하는다방향, 회절백라이트기술이다. 투명박막평면의광가이드에서방사되어광각이넓고다시점의컬러로구현되는영상을생성하는발광다이오드에기초한유도파장조명기술이다. 다른광각또는색상과연관된화소는공간을다중화하여독립적으로위치해외부의셔터판에의해비디오레이트로변조된다. 64 시점백라이트에의한초당 30 프레임의능동및수동변조를구현하기위해공간해상도로 3D 이미지를생성하는간단한잉크마스크또는고해상도상용액정표시장치를사용하였으며, 인치당 88 화소의공간분해능과전례가없는 90 의뷰존에서완전운동시차를갖는 3 차원이미지를생성해낸다. 또한, 인치당 127 픽셀의해상도로최대 6 개의 200 시야에대한이미지까지의애니메이션시퀀스를시연하여몇가지투명휴대용프로토타입에적용할수있다. 아마존사는파이어폰 (Fire Phone) 이라는휴대폰을개발하였는데, 이른바동적원근법 (Dynamic Perspective) 기술로 3 차원영상을느끼게한다. 휴대폰을가지고움직이는방향에따라개인의퍼스펙티브 (perspective) 를변화시키는기술을의미하며, 시청자로하여금영상이음의시차로튀는것보다는스크린속으로더깊게양의시차를느끼게한다. < 자료 >: ( 그림 7) 홀로그램의기록원리 정보통신기술진흥센터 5

6 주간기술동향 < 자료 >: ( 그림 8) 홀로그램의재생원리홀로그램의기록원리는유사홀로그램과는달리, 실제홀로그래피는물체에서부터산란된광원이발생한광파로기록된후물체가없어도다시재현되는기술을의미한다. 홀로그래피의파원 ( 波源 ) 으로는일반적으로레이저광이많이사용되고있다. 동일한파의진로에물체가있으면, 파는물체의표면에서반사되어원래의빛과만나간섭무늬를만든다. 이간섭무늬의패턴은물체표면에서의거리에의해결정된다. 다시말하면간섭무늬에는적당한장소에사진필름을놓고노광 (F 光 ) 하면필름면에물체의정보가기록된다. 이홀로그램은매체의불투명도, 밀도, 또는표면프로파일의랜덤한변화에대한기록을의미한다 [2]. 홀로그램의재생원리는현상한필름에는물체의상이보이지않는다. 여기에코히런트한빛 ( 참조광 ( 參照光 )) 이나일반백색광같은각도로통과시키면필름상의간섭무늬로빛이회절하여물체가있던위치에물체와똑같은상이재현된다. 특수안경이나다른중간광학계의도움없이피사체의완전한삼차원영상을표시하는데쓰인다 [3]. ( 그림 8) 의오른쪽상하이미지는하나의홀로그램에대한두개의사진으로각기다른시야각에대한이미지를보여주고있다. ( 그림 9) 와같이홀로그램원리를사용한동영상디스플레이가최근에재현되고상용화되었는데, 그대표적인예가 Light Blue Optics 사의홀로그래픽레이저프로젝터이다. 알고리즘에의해원하는이미지는홀로그램으로변환되고, Red, Green, Blue 의레이저광원의빛이각각순차적으로위상모듈레이팅된 LCOS 표면에서회절된패턴이광학렌즈 L1 과 L2 를지나면서 100 의광각으로투사된다. 프라운호퍼회절원리에의해상은 6

7 < 자료 >: Full colour holographic laser projector HUD, Edward Buckley, Dominik Stindt, Light Blue Optics Ltd. ( 그림 9) LBO 사의홀로그램피코프로젝터렌즈 L2 로부터어떠한거리에있든간에초점이맺히는깨끗한상을얻을수있다. 출시된제품으로는터치용프로젝터인 Light-Touch pico-projector 와자동차의나이트비전용홀로그래픽레이저 HUD 이다. 아직까지는데이터트래픽의영향으로원하는위치의 2 차원표면에터치용이미지를맺히게하거나 2 차원허상을허공에맺히게하는정도이다. 최근미국캘리포니아에있는디스플레이반도체기업 Ostendo Technologies 사는 3D 안경없이 3D 홀로그램영상을공중에투사해주는 Quantum Photonic Imager(QPI) 칩을사용한초소형프로젝터를개발하였다. 보통의스마트폰은인치당 326 픽셀의해상도로이미지를보여주고있지만, Ostendo 의 3D 홀로그램은인치당최대 5,000 픽셀의초고해상도 3D 이미지를보여준다. 우리가보는거의모든디스플레이는모든방향으로발광한다. 반면, QPI 는발광하기전에매우좁은각도로빛을평행하게집광한후, 서로다른방향으로서로다른이미지를방출할수있어서 3 차원이미지는 2,500 관점에서볼수있다 [4]. 이제품의작은칩으로 100 만화소의각각은적색, 녹색및청색마이크로 LED( 레이 - 중간 : Quantum Photonic Imager: Ostendo 사의 light-field 는발광픽셀과픽셀레벨의프로세싱에의해 3 차원이미지를생성하게한다. - 오른쪽 : 여덟개의 Ostendo 사의 Quantum Photonic Imager 칩어레이로주사위를허공에 3 차원형태로디스플레이한영상을보여주고있다. 이러한 light-field 디스플레이는 2~3 년내에스마트폰으로볼수있을것이다. ( 그림 10) Ostendo 사의 light-field 디스플레이 - 스마트폰적용홀로그램 정보통신기술진흥센터 7

8 주간기술동향 저 ) 층으로구성되며, 함께조립된작은실리콘이미지프로세서로작동된다. 픽셀은 5~10 마이크로미터수준이다. 각층에대해전력을변조함으로써각각의픽셀은얇고초점이맺히는색상의빛을보낼수있다. 여러개의수직도파관들은각층에서부터빛을보내어그방향을변조하여마이크로렌즈어레이가빔을한번더초점을조절하고빛의방향을유도한다. 각픽셀에대해이미지프로세서는전력을절약하고적은면적안에서조밀하게위치한픽셀들에서많은빛을발생하게한다. 그러나, 마이크로렌즈어레이를작은면적안에조밀하게정렬하는기술과적은면적안에상당히조밀하게구현해야하는기술적해결문제가남아있는듯하다. 예를들면, 10 개의시점에서각각의이미지를다르게보게하려면분해능도역시 10 배가더조밀해져야한다는것이다. 이러한문제를해결하는하드웨어와소프트웨어기술개발이더필요하다고판단된다. 이회사의기술개발로드맵에의하면아마도 2~3 년내에스마트폰에서도완벽한홀로그램동영상을볼수있을것이다최근에는 360 전방위에서가능한테이블탑형 3 차원홀로그래픽기술이국내에서개발되고있다. 이홀로그래픽동영상디스플레이의요구사항을정리해보면, 시야각 60 확보를위한공간광변조기 (SLM) 의픽셀크기는 0.35 μm이고이에따른디스플레이해상도는 40 인치를기준으로 픽셀이되어야하며, 현재 HDTV 40 인치화면기준인약 2Mpixels 의 180 만배가되어야한다. 이러한고해상도의디스플레이회로를구동하기위해서는디스플레이를구동하기위한데이터입력을 RGB 각각 8bit 로하고프레임율 60fps 로하면, 5,000Tbps(5 1015) 정도로어마어마한데이터저장및내부전달능력이필요하다. 또한, 홀로그램의획득을위해 HDTV 해상도 (2 Mpixels) 를갖는 3 차원영상으로부터 1Mpixels 의해상도를갖는홀로그램을구하기위해서는 2 조번계산하여 시야각 (viewing Angle) =SLM 의회절각 Viewing Distance < 자료 >: 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술, 광학과기술 18 권 14 호 ( 그림 11) 대면적초고해상도공간광변조기의개념도 8

9 < 자료 >: ( 그림 12) 테이블탑홀로그램상상도 CGH(Computer Generated Hologram) 홀로그램데이터를획득해서생성된홀로그램데이터를합성해야전체 3 차원영상에대한홀로그램이얻어지므로데이터처리및고속연산장치도연구되어야한다 [5] 년 11 월네이처지에발표된나세르페이검바리언교수연구팀에의하면 10 년내로안방의 3D 비디오스크린에완전한홀로그램이구현될수있을것으로예측하였다. 360 전방위의테이블탑홀로그램동영상도상용화될것으로전망된다 [6]. 현재홀로그램디스플레이의연구는크게세가지방향으로진행되고있다 [7]. 첫번째로는현재상용화되고있는스테레오또는다시점 3D 디스플레이와같이수평방향의시차 (Parallax) 만을제공하고수직시차를포기하는것이다 년대후반 MIT 의미디어랩에서개발한홀로그래픽디스플레이가그예에속한다. 두번째는다중화또는병렬화등을통해유효픽셀크기를줄이거나, 시야각을늘려영상의크기를확대하는것이다. 일본동경농공대 Takaki 교수 Lab 의 DMD 및 Galvano-mirror 를사용한홀로그래픽디스플레이, 서울대학교의 Curved SLM array 기반디스플레이, 그리고영국 QinetiQ 사의 tiled SLM 기반디스플레이가있다. 세번째는넓은시야각을포기하고한사람의눈동자에해당하는영역 ( 약 6mm 6mm) 에서보기에필요한정보만을재현하는것이다. 이방식을통해자연스런 3 차원영상을보기위해서는동공추적을통해계속적으로눈의위치에따른새로운정보를업데이트해주어야한다. ( 그림 13) 은평판형홀로그래픽디스플레이에대해미국의 MIT, 영국의 QinetiQ, 독일의 SeeReal, 한국의 ETRI 등에서개발한주요연구내용이다 [5]. 국내에서는그동안주로광운대와서울대등일부대학위주로연구되어오다가 2011 년부터지식경제부 ( 현산업통상자원부 ) 의 R&D 과제로 3 차원의입체감을느끼게할수있 정보통신기술진흥센터 9

10 주간기술동향 < 자료 >: 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술, 광학과기술 18 권 14 호 ( 그림 13) 국내외홀로그래픽디스플레이기술현황는디지털홀로그래피 3D 영상시스템을위한원천기술개발이시작되었다. 현재까지개발된홀로그래픽동영상디스플레이는 360 시야각을제공하는것이아니라디스플레이앞쪽방향에서만홀로그램시청이가능한평판형디스플레이를이용하여수평방향으로직시하는방식이대부분이며, 아직까지홀로그래피기술을적용한 360 테이블탑형태로구현한예는없다 [5]. 미래창조과학부는국가적사업으로 2020 년까지개인이무선으로기가급모바일서비스를누릴수있는스마트 ICT 환경을구축하기위해 2013 년부터 2020 년까지 8 년에걸쳐기가코리아사업을추진하고있다 [8]. 이프로젝트는개인별로 1 기가급모바일서비스제공을위한밀리미터파 (10~40GHz) 기반의광대역이동통신핵심원천기술및실용화시스템개발을목표로한다 [9]. 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술개발은수평 360, 수직 60 의시야각과수평ㆍ수직시차의입체공간을실시간생성및재현하는단말시작품개발을목표로한다 [9]. 10

11 III. 홀로그램상용화전망 국내외 3D 홀로그램시스템의시장은 ( 그림 14) 와같다. 세계홀로그래피시장규모는 2011 년총 143 억달러규모로, 특히보안 / 인증및의료기기등의산업장비가시장을주도하는것으로추정되며, 연평균 14% 내외로지속성장할것으로보인다 년에는 HMD, 2021 년에는 HUD 시장이새롭게열리면서 2025 년 941 억달러규모로성장할전망이다. 국내홀로그래피시장규모는매출액기준 2011 년총 3,762 억원수준으로추정되며, 이중보안 / 인증및의료기기등산업장비가시장을주도할전망이다 [10]. ( 단위 : 백만달러 ) ( 단위 : 억원 ) 100,000 25,000 보안 / 인증 인쇄 / 전시 의료기기등 보안 / 인증 인쇄 / 전시 의료기기등산업장비 80,000 HOEs 콘텐츠 HMD HUD 20,000 HOEs 콘텐츠 HMD HUD 60,000 40,000 20,000 15,000 10,000 5, < 국외 > < 국내 > < 자료 >: ETRI, 2012, 디지털홀로그래피기술동향및전망, 기획이슈 2013 년 2 월제35 호 ( 그림 14) 국내외홀로그램시장전망본고에서기술동향조사를통해분석해본결과, 테이블탑형디지털홀로그램의출현은 5 년이상을기다려야될것이며 [5],[8],[9], 휴대폰용홀로그램의출현은앞으로 5 년이내에출시될것으로전망된다. 그러므로앞으로몇년동안은유사홀로그램에대해보안 / 인증, 의료기기등의산업장비시장에서주도할것이고, 때로는광고및무대부문시장에출시될것이다. 이러한유사홀로그램제품기획을어떻게하느냐에따라게임, 군사, 기타등에대해다소시장의변화가생길것으로전망된다 [9]. 또한, 휴대폰등단말기에서홀로그래픽기술이접목이되면그가치는엄청난규모가될것이다. IV. 맺음말 본고에서는실제시장에서출시되는홀로그램의제품동향을알아보고, 우리주변에 정보통신기술진흥센터 11

12 주간기술동향 서실감할수있는진정한 3 차원홀로그램동영상을언제볼수있는지알아본결과앞으로몇년안에휴대폰에서홀로그램영상이시현되는제품을접해볼수있음을알수있다. 이러한제품을출시하려면방대한데이터양을처리하는기술과함께적은에너지의소모로다시점의영상을처리할수있는픽셀및이미지프로세싱기술이해결되어야한다. 현재까지는유사홀로그램위주로시작하여우선고객의마음을읽는기술과제품이나서비스내용등이필요할것으로판단되고, 미래에는비교적적은데이터로 3 차원홀로그램을구현하는기술에대한차별화전략, 가격, 경쟁관계등다각도로접근해야홀로그램기술도제품화에성공할수있다고판단된다. < 참고문헌 > [1] IT 용어사전, 한국정보통신기술협회 [2] 홀로그래피 [3] [4] Holographic Displays Coming to Smartphones, IEEE SPECTRUM, Sarah Lewin, Posted 16 Jul :00 GMT [5] 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술, 박중기, 윤민성, 김재한, 추현곤, 최진수, 김진웅, 방송통신미디어기술특집 30 권 3 호, pp [6] 문화기술 (CT) 동향, 한국콘텐츠진흥원, 문화기술 (CT) 심층리포트, 2011 년 12 월호, p.1. [7] 홀로그래픽 3D TV 기술개발동향, 김진웅, 박민식, 장은영, 남제호, 문경애, ETRI, TTA Journal of 140, pp [8] Giga KOREA 사업신규지원시행계획공고, 미래창조과학부공고제 호 [9] 기가코리아 (GigaKOREA) 의추진기술및서비스, 인프라구현기술, 한국방송통신전파진흥원, 방송통신기술이슈 & 전망 2013 년제 13 호. [10] 디지털홀로그래피기술동향및전망, 김성민, IITP 신성장동력웹진, 2013 년 2 월, 제 35 호 pp * 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 12