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9 특집 디지털홀로그램미디어기술 홀로그램융합기술의현황과전망 김남, 권기철, 임영태, Yu Zhao / 충북대학교 요약최근 ICT분야에서 4차산업혁명을주도할 5G 무선통신의실용화에맞물려 AR/VR 기술에대한관심이집중되고있으며, 이에따라먼미래의기술로만여겨졌던홀로그램기술이모두의기대보다빨리현실로도래할지모른다는전망이종종등장하고있다.

1 9 특집 디지털홀로그램미디어기술 홀로그램융합기술의현황과전망 김남, 권기철, 임영태, Yu Zhao / 충북대학교 요약최근 ICT분야에서 4차산업혁명을주도할 5G 무선통신의실용화에맞물려 AR/VR 기술에대한관심이집중되고있으며, 이에따라먼미래의기술로만여겨졌던홀로그램기술이모두의기대보다빨리현실로도래할지모른다는전망이종종등장하고있다. 그러나현실은아직기술개발을통해해결해야할난제들이산적해있다는것이다. 홀로그램의특성을고려하여우선적용가능한응용분야를선택, 집중한다면홀로그램의기술진화를더가속화할수있을것이다. 본고에서는홀로그램기술의현주소를통해홀로그램융합기술을살펴보고자한다. I. 홀로그램기술 최근 4차산업혁명시대가거론되면서빅데이터, 인공지능, 로봇공학, 사물인터넷, 무인운송수단, 3차원인쇄및나노기술이주목을받고있다. 특히 2016 년세계경제포럼 (WEF) 이후스스로학습하고진화하는정보사회를뜻하는 초지능, 사람과사물의경계가없어지는스마트한사회를뜻하는 초연결 은 4차산업혁명의핵심키워드로떠올랐다. 정보통신기술 (ICT) 의발달과함께지속적으로확장되는디지털인프라는가상세계와현실세계또는디지털세계와물리적세계와의거리를단축시키고있으며이를통해가상과현실사이의경계가사라지는 초실감 사회또한주목받고있다. 홀로그램기술은 4차산업혁명선도기술과의융복합을통해의료, 교통, 디스플레이, 문화, 광고, 보안, 제조등다양한분야에서핵심적인기술로사용되고있다. 1. 아날로그홀로그램홀로그램기술은빛의간섭현상을레이저를이용하는방법과컴퓨터를이용한방법으로기록및 2019 년 4 월 9

사용되었던 광원은 개발되었으며 파면 복원(Wavefront reconstruc- 수은 아크 램프를 이용하였기 때문에 간섭광 기록 tion)을 목적으로 하는 기술이었다[1]. 당시의 홀로 의 제약이 있었다. 1962년 632.

2 118 특집 : 디지털 홀로그램 미디어 기술 재생하는 기술로 정의할 수 있다. 1948년 헝가리 출 그램을 기록하는 기술은 인라인(in-line)상에 빛이 신의 과학자 Dennis Gabor에 의해 개발된 홀로그 투과가 가능한 시료를 이용해 간섭현상을 일으키는 램 기술은 당시 전자 현미경의 해상도 향상을 위해 실험이었고 빛의 간섭을 위해 사용되었던 광원은 개발되었으며 파면 복원(Wavefront reconstruc- 수은 아크 램프를 이용하였기 때문에 간섭광 기록 tion)을 목적으로 하는 기술이었다[1]. 당시의 홀로 의 제약이 있었다. 1962년 632.8nm의 가시광선 Primary wavefront Point focus Object Secondary wavefront Emined by object Photographic plate <그림 1> 데니스 가보르와 홀로그램 실험[1] <그림 2> E. Leith, J. Upatnieks, Y. Denisyuk, S. Benton 및 L. Cross(왼쪽 상단부터)[2] 10 방송과 미디어 제24권 2호 Interference mokima Viewing lens Phase coincidences

홀로그램융합기술의현황과전망 119 영역의 He-Ne 레이저가개발되면서홀로그램기술은현재까지활발한연구가이루어지게되었다. 특히미국미시간대학의 Emmett Leith 와 Juris Upatnieks 에의해비광축 (off-axis) 홀로그램이개발되면서 Gabor 실험의문제점인 twin image 에대한해결책이제시됨과동시에정체되었던홀로그램기술에대한연구가가속되었다.

Cross 는 2-D 영상의프레임을순차적으로홀로그램기록필름에기록하여움직이는 3차원영상재생기술인 Integral Hologram 기술을개발하였다 [2]. 이시기의기술들은한번홀로그램을기록하면재사용이불가하며이미지기반의정적인홀로그램기술이었다. 2. 디지털홀로그램 1966 년 B. R. Brown, A. W.

3 홀로그램융합기술의현황과전망 119 영역의 He-Ne 레이저가개발되면서홀로그램기술은현재까지활발한연구가이루어지게되었다. 특히미국미시간대학의 Emmett Leith 와 Juris Upatnieks 에의해비광축 (off-axis) 홀로그램이개발되면서 Gabor 실험의문제점인 twin image 에대한해결책이제시됨과동시에정체되었던홀로그램기술에대한연구가가속되었다 년소련의 Yuri N. Denisyuk 은백색광에서도재생이가능한반사형홀로그램기술을제안하였고 1968 년미국 MIT 대학의 Stephen A. Benton 은백색광에서재생이가능한투과형방식의레인보우홀로그램기술을개발하였으며 1972년 L. G. Cross 는 2-D 영상의프레임을순차적으로홀로그램기록필름에기록하여움직이는 3차원영상재생기술인 Integral Hologram 기술을개발하였다 [2]. 이시기의기술들은한번홀로그램을기록하면재사용이불가하며이미지기반의정적인홀로그램기술이었다. 2. 디지털홀로그램 1966 년 B. R. Brown, A. W. Adolf 는실물의물체를기록하는아날로그홀로그램기술대신컴퓨터를이용해 3차원디스플레이를위한컴퓨터생성홀로그램 (Computer-Generated Hologram) 알고리즘을제안하였다. 이는기존의홀로그램과달리실재물체를사용할필요가없으며회절이론을기초로하여이상적인파동을컴퓨터연산을통해홀로그램으로생성할수있게되었다. 당시의컴퓨터생성홀로그램을재현하기위해서는 plotting 방식을이용한회절개구를만들어 binary 방식으로홀로그램을구현하였다. 이는이후컴퓨터생성홀로그램에대한광학시스템, 영상처리방법및디스플레이에대한관심을불러일으켰고이후파동광학을이용한홀로그램모델링에대한이론, 생성된홀로그램을광굴절소자를이용해기록하거나가시광을이용해재생하는방법으로세분화되어연구가 Byron Brown completing one of the first computer-generated holograms An early CGH and its reconstruction < 그림 3> B. Brown 의첫번째컴퓨터생성홀로그램및복원영상 [3] 2019 년 4 월 11

120 특집 : 디지털홀로그램미디어기술 진행되었다. 1990 년대들어고해상도 CCD 카메라와고속산술처리가가능한컴퓨터시스템의발전과함께컴퓨터생성홀로그램은디지털홀로그램기술로확장되어영상의획득, 모델링, 이미지프로세싱, 디스플레이에대한연구분야로확장되어현재까지활발히연구되고있다. 또한회절광학소자, 간섭측정기, 광메모리등다양한응용분야의핵심기술로발전되었다. 3.

4 120 특집 : 디지털홀로그램미디어기술 진행되었다 년대들어고해상도 CCD 카메라와고속산술처리가가능한컴퓨터시스템의발전과함께컴퓨터생성홀로그램은디지털홀로그램기술로확장되어영상의획득, 모델링, 이미지프로세싱, 디스플레이에대한연구분야로확장되어현재까지활발히연구되고있다. 또한회절광학소자, 간섭측정기, 광메모리등다양한응용분야의핵심기술로발전되었다. 3. 플로팅홀로그램 1977 년영화스타워즈에서등장한드로이드캐릭터인 R2-D2 가공주레아의메시지를재생하는장면 [4] 은대중적으로홀로그램을인식시키는계기가되었다. 특정공간에빔이투사되며이때공간상에 3차원형태의영상이재생되며홀로그램의대중적개념이정립되었다고할수있다. 앞서언급한홀로그램기술과달리영화적상상력이가미된영상이 라할수있다. 영화에서표현되는홀로그램과가장유사한표현방식으로 Pepper s ghost 또는플로팅홀로그램기술이있다. Pepper s ghost 는 1862 년영국의과학자 John Henry Pepper 가제안한기술로어두운공간에서재생하고자하는물체에빛을입사시킨후유리또는투명한재질의스크린에반사영상이부유 (floating) 되어보이게하는기술이다. 국내에서는 1998 년한국의 SM 엔터테인먼트는대표남성그룹인 H.O.T 의데뷔를플로팅홀로그램기술을이용하여처음시도하였고 2004 년보아의일본투어공연의일부에사용되었다 년일본의록그룹 X-Japan 의멤버였던히데의모습을재현하거나 2012 년일본도쿄에서증강현실가수하츠네미쿠콘서트 [5] 등홀로그램콘서트라는명칭으로불리워지게되었다. 유사한방법으로 2008 년미국 CNN에서는홀로그램 TV[6], 2011 년 Cisco 사의원격화상회의 [7], 그리고 2015 년스페인에서는플로팅홀로그램을이용한시위 [8] 등다양 < 그림 4> 영화스타워즈의홀로그램재생장면 [3] 12 방송과미디어제 24 권 2 호

홀로그램융합기술의현황과전망 121 < 그림 5> 다양한분야에적용된플로팅홀로그램 [5][6][7][8] 한분야에서디지털콘텐츠를시각화하는방법으로사용되고있다. II. 홀로그램융합기술현황 홀로그램기술은 4차산업혁명선도기술과융복합을통해다양한분야에서초실감콘텐츠서비스를주도할수있다. 또한산업전반에걸쳐문제점해결을위한핵심기술로도사용이가능하다.

5 홀로그램융합기술의현황과전망 121 < 그림 5> 다양한분야에적용된플로팅홀로그램 [5][6][7][8] 한분야에서디지털콘텐츠를시각화하는방법으로사용되고있다. II. 홀로그램융합기술현황 홀로그램기술은 4차산업혁명선도기술과융복합을통해다양한분야에서초실감콘텐츠서비스를주도할수있다. 또한산업전반에걸쳐문제점해결을위한핵심기술로도사용이가능하다. 현실세계와가상의세계간의거리를줄이며인간에게실감정보를제공할수있는산업과 4차산업의핵심기술과의융합을통해새롭게창출될수있는산업을중점으로살펴보고자한다. 1. 가시화홀로그램기술은안경을쓰지않고완전시차정보 를제공할수있어사용자에게보다효율적으로정보를전달한다. 그러나완벽한 3차원정보를제공하기위해서는해상도, 시야각및연산처리등다양한제약이따른다. 현재까지완벽한홀로그램디스플레이는개발되지않고있지만몇가지특징이강조된홀로그램기술을적용한가시화연구가활발히이루어지고있다. 최근까지출시된홀로그램디스플레이제품을살펴보면휴대용또는대형단말기에적용가능한플로팅홀로그램디스플레이 [9], 회전하는팬에시분할동기화를통해 3차원정보를재생하는 3차원홀로그램 LED 팬디스플레이 [10], 라이트필드와볼륨디스플레이가결합된 Looking glass[11], 사용자관심영역에만홀로그램영상을생성하는독일의 Seereal 사의 VISO20[12] 등이있으며전시나설계등을목적으로사용되고있다. 리투아니아 GEOLA 홀로그램이미지프린팅시스템 [13] 과인도의 holotech 사는의료, 건축및군사등다양한분야에적용가능한홀로그램프린 2019 년 4 월 13

자연스럽게 표현할 수 있는 이미지에서 발생할 수 있는 오류를 줄이며 작업의 가에 중점을 두고 개발되고 있는 추세이다. 현재 미 효율성을 향상시킬 수 있다.

6 122 특집 : 디지털 홀로그램 미디어 기술 <그림 6> 상용화된 홀로그램 디스플레이의 종류 <그림 7> 디지털 홀로그램 프린팅 팅 서비스를 제공하고 있다[14]. 기존의 아날로그 이 개발되고 있다. 각각의 디바이스들은 3차원 정 이미지 홀로그램과 달리 실물이 아닌 디지털 콘텐 보를 인간에게 얼마나 현실감 있게 전달하거나 또 츠로 제작된 정보를 기록할 수 있어 기존의 2차원 는 도움이 되는 정보를 자연스럽게 표현할 수 있는 이미지에서 발생할 수 있는 오류를 줄이며 작업의 가에 중점을 두고 개발되고 있는 추세이다. 현재 미 효율성을 향상시킬 수 있다. 최근 가상현실 및 증강 국 Microsoft 사를 포함하여 Facebook, Google, 현실 분야가 주목받으며 다양한 형태의 디바이스들 Apple, Magic leap, ODG, LUMUS, DIGILENS, 14 방송과 미디어 제24권 2호

홀로그램융합기술의현황과전망 123 WAVEOPTICS 등다양한회사들이자연스럽고몰입감높은디바이스및콘텐츠를제작하고있으며공학, 관리, 공공서비스, 의료, 엔터테인먼트등다양한분야에적용가능한환경을개발하고있다. 2. 4차산업혁명과홀로그램융합기술홀로그램기술은제어계측, 의료, 에너지자동차문화 / 관광및보안등 4차산업혁명의핵심융합기술로다양한분야에적용될수있다.

7 홀로그램융합기술의현황과전망 123 WAVEOPTICS 등다양한회사들이자연스럽고몰입감높은디바이스및콘텐츠를제작하고있으며공학, 관리, 공공서비스, 의료, 엔터테인먼트등다양한분야에적용가능한환경을개발하고있다. 2. 4차산업혁명과홀로그램융합기술홀로그램기술은제어계측, 의료, 에너지자동차문화 / 관광및보안등 4차산업혁명의핵심융합기술로다양한분야에적용될수있다. 미국 Zygo 사는홀로그램정밀계측시스템을개발하여반도체, 3차원프로파일및광전지패널계측등에사용되고있다. 스위스의 Lynceetec 은스웨덴의 Phase Holographic Imaging AB사는세포활동의 3차원영상재생과프로파일을분석할수있는시스템을개발하여출시하였다. 일본의 Topcon 사와 Nidex 사그리고독일의 Zeiss 사의경우 OCT(Optical Coherence Tomography) 기술을이용해조직내부검사가가능한시스템을출시하여제어계측, 의료및정밀검사분야에활발히응용되고있다. 또한에너지를효율적으로사용하기위한산업분야에도홀로그램기술이사용되고있다. 입사되는빛을홀로그램기술을이용하여설계된방향으로회절시키는방식을이용하고있다. 대표적으로미국의 Prism Solar 사와 Luminit 연구소는태양광집광을위해홀로그램기술이적용된시스템을연구개발하고있으며미국의 GE 사는풍력발전기술에홀로그램기술을적용하여에너지효율을 20% 증가시키는연구를진행하고있다. 국내의경우 경동솔라와 STX 에이프릴리스공동으로태양광집광형모듈개발을진행하였다. 홀로그램의특성상위조및변조가쉽지않기때문에현재까지화폐, 신용카드및 ID카드등에홀로그램기술이적용되어널리사용되고있다 년엠보싱홀로그램이적용된마스터카드를시작으로영국의 De La Rue, 일본의 Dai Nippon Printing 사에서위변조에강화된제품과립만홀로그램형태의플라스틱카드를개발하였다 [13]. 홀로그램광학소자와도파관방식을이용하여전방에제공되는실제환경에 GPS로매핑한 3차원정보를제공하여운전자의편 < 그림 8> 4 차산업혁명과홀로그램융합기술 2019 년 4 월 15

124 특집 : 디지털 홀로그램 미디어 기술 Zeiss OCT Ovizio Phase Holographic Imaging AB Lynceetec Stryker HOLOLENS를 이용한 수술실 룸 설계 Holoscope BMW motocycle helmet Holographic foil, Prism solar Solar Photovoltaic

8 124 특집 : 디지털 홀로그램 미디어 기술 Zeiss OCT Ovizio Phase Holographic Imaging AB Lynceetec Stryker HOLOLENS를 이용한 수술실 룸 설계 Holoscope BMW motocycle helmet Holographic foil, Prism solar Solar Photovoltaic cogeneration systems, Luminit R&D Wind turbine hologram, GE (주)경동솔라 태양광 집광형 모듈 Hologram in bill, De la rue Hologram in ID card, De la rue Hologram in ID card, De la rue Holographic security system, CBNU <그림 9> 홀로그램 기술이 융합된 분야 안한 정보 인식을 돕기 위해 스위스의 Wayray 사, 의 용량 등의 기술적 난제를 해결하기 위한 원천기 독일의 BMW 사는 자동차 및 모토사이클용 헤드업 술 연구단계에 있다. 우리가 기대하고 있는 영화 속 디스플레이 시스템을 개발하였다. 홀로그램 서비스를 위한 디스플레이, 광학소자, 미 디어 등 다양한 분야의 기술을 융합, 장기적 연구개 발이 필요하다. 4차 산업혁명과 5G 통신기술을 기 III. 결론 및 전망 반으로 다양한 산업과 융합을 통한 활용도를 더 높 일 수 있는 전략적인 접근을 통해 우선, 홀로그램 3D 영화, 홀로그램 프린팅, 유사 홀로그램, HUD 기술은 3D 실감영상 뿐만 아니라 의료 및 산업장 등, 홀로그램 응용에 대한 니즈가 높아지고 있으나, 비, 보안 및 인쇄 등의 다양한 분야에서 활용될 수 현실은 광학소자의 성능, 프로세서 속도, 저장장치 있어 경제적 파급효과를 높일 것으로 기대된다. 16 방송과 미디어 제24권 2호

홀로그램융합기술의현황과전망 125 참고문헌 참고문헌 [1] https://www.nature.com/physics/looking-back/gabor/index.html#f1 [2] http://www.holophile.com/html/history.htm [3] A.

html [5] https://www.geek.com/geek-cetera/hatsune-miku-hologram-performs-to-live-audiences-1294546/ [6] http://www.youjustmademylist.com/?p=3055 [7] https://www.cio.

fr/en/our-services/3d-holograms/pyramid-holographic-interactive-3d-hologram-supernova [10] https://www.360digitalsignage.com/product-item/3d-hologram-fan-displays/ [11] https://lookingglassfactory.

9 홀로그램융합기술의현황과전망 125 참고문헌 참고문헌 [1] [2] [3] A. Lohmann, A prehistory of computer-generated holography, Opt. Photon. News 19(2), (2008). [4] [5] [6] [7] -from-skype-to-3d-holograms.html [8] [9] [10] [11] [12] [13] 김남, 임영태, 홀로그램융합산업기술최근연구동향, 한국통신학회지 ( 정보와통신 ) 제34권제2호, , 필자소개 김남 년 2 월 : 연세대학교전자공학과 ( 공학사 ) 년 2 월 : 연세대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 년 8 월 : 연세대학교전자공학과 ( 공학박사 ) 년 8 월 ~ 1993 년 8 월 : 미국 Stanford 대학교방문교수 년 3 월 ~ 2001 년 2 월 : 미국 California Technology Institute 방문교수 년 ~ 현재 : 충북대학교전기전자컴퓨터공학부교수 - 주관심분야 : 광정보처리, 광통신, 이동통신및전파, 전파, 마이크로파전송선로해석, EMI/EMC 및전자파인체보호규격 권기철 년 2 월 : 상주대학교전기전자공학과 ( 공학사 ) 년 2 월 : 충남대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 년 2 월 : 충북대학교정보통신공학과 ( 공학박사 ) 년 ~ 2008 년 : 프리즘테크부설연구소연구원 년 ~ 현재 : 충북대학교연구교수 - 주관심분야 : 3D 디스플레이, 홀로그램디스플레이디지털영상처리및의료영상처리 임영태 년 2 월 : 충북대학교공학사 년 2 월 : 충북대학교공학석사 년 2 월 : 충북대학교공학박사 년 8 월 ~ 2015 년 8 월 : 와이티정보시스템대표 년 9 월 ~ 현재 : 충북대학교홀로그램융합기술연구센터연구교수 - 주관심분야 : 3 차원현미경, 집적영상, 홀로그램광학소자, 홀로그램디스플레이 2019 년 4 월 17

126 특집 : 디지털홀로그램미디어기술 필자소개 Yu Zhao - 2011 년 6 월 : 연태대학교공학사 - 2014 년 8 월 : 충북대학교공학석사 - 2018 년 8

10 126 특집 : 디지털홀로그램미디어기술 필자소개 Yu Zhao 년 6 월 : 연태대학교공학사 년 8 월 : 충북대학교공학석사 년 8 월 : 충북대학교공학박사 년 9 월 ~ 현재 : 충북대학교박사후연구원 - 주관심분야 : 컴퓨터생성홀로그램, 홀로그램디스플레이 18 방송과미디어제 24 권 2 호

(18-48 호 ) : 홀로그램의진화와산업동향 홀로그램의정의와특징 홀로그램산업및기술개발동향 홀로그램산업의시장동향

2018. 06. 20 (18-48 호 ) : 홀로그램의진화와산업동향 홀로그램의정의와특징 홀로그램산업및기술개발동향 홀로그램산업의시장동향 빛의간섭효과를이용해사물의정보를기록및전달하는홀로그램 두개의빛의간섭효과를이용해피사체의 3차원정보를기록하고전달, 재현하는홀로그램기술 정보의전송및저장, 압축등이용이한디지털형태의홀로그램데이터를전자기기및컴퓨터등을이용해구현할수있는디지털홀로그램에관심증대