홀로그램 디스플레이 시야각 협소문제 실마리 풀다

국내 연구진이 완벽한 입체영상의 결정이라 일컫는 홀로그램 디스플레이의 시야각 확대 문제를 풀 실마리를 찾아 관심이 집중되고 있다. 기존 시야각 확대의 화소 크기 기반 접근방법에서 탈피, 새로운 기술적 방법을 제시했다는 데 의미가 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 과학기술정보통신부의 지원으로 홀로그램 디스플레이 상용화에 최대 걸림돌로 알려진 기존 3.8도 내외의 협소한 시야각 문제를 해결할 연구 방향을 제시, 미국광학회 주요 연구 결과 영상으로 지난 6일 자에 소개됐다고 밝혔다.

홀로그램 디스플레이는 현재 박물관 등에 전시된 아날로그 필름 홀로그램 광학 간섭계를 이용해 회절무늬를 기록한 필름 감광매질과는 다르게 홀로그램 표시소자로 알려진 디지털 홀로그램 기록장치를 통해 3차원 홀로그램 영상을 공중에 띄우는 방식으로, 좁은 시야각 등 문제로 아직 상용화되지 않았다.

아날로그 필름 홀로그램처럼 넓은 시청영역, 즉 30도 이상의 시야각을 확보하기 위해서는 빛의 파장 정도인 수백 나노미터(㎚)의 해상도를 가진 홀로그램 전자기록장치가 개발돼야 한다. 하지만 현재 상용소자의 화소(pixel) 크기는 수 마이크로미터(㎛)에 머물러 4도 이내의 협소한 시야각 문제는 피하기 어렵다.


시야각 확대를 위해 홀로그램 표시소자들을 공간적·시간적으로 다중화하거나 나노미터(㎚)급 표시소자를 개발하는 방법이 있지만, 기술적 어려움을 차치하더라도 현재의 컴퓨터로 처리하기 어려운 방대한 데이터를 처리해야 하는 또 다른 문제점이 발생하기 때문에 바람직하지 않다.

ETRI 연구진은 홀로그램 영상 시야각이 디지털 홀로그램 화소크기에 대한 회절각보다는 홀로그램 영상 분해능에 근원적으로 의존한다는 사실에 주목했다.

즉 영상 분해능을 결정하는 홀로그램 디스플레이 시스템 개구수(開口數)를 사용해 홀로그램 영상 시야각을 재정의해야 한다는 것이다. 그러면 기존 상용 홀로그램 전자기록장치를 이용해도 충분한 시야각을 확보할 가능성이 열리게 된다.

연구진은 개구수가 클수록 분해능이 좋아지는데 개구수는 홀로그램의 크기와 영상이 뜨는 거리에 따라 결정된다. 이로써 홀로그램이 뜨는 위치에 따라 분해능이 달라지고 분해능은 결국 시야각과 관련이 있는 셈이다.

이에 따라, 8㎛ 픽셀을 갖는 홀로그램 전자기록장치여도 거리를 충분히 가까이해 영상을 띄우면 시야각은 이에 비례해 4배, 8배 커져 30도 이상도 만들 수 있게 된다.

연구진은 디지털 홀로그램 패턴을 분석해 관련 이론을 정립하고, 수치해석과 광학적 실험을 통해 시야각 확대 가능성을 증명했다. 디지털 홀로그램은 낮은 샘플링에서도 고주파수 대역이 소실되지 않고 유지되는 특성을 가져 홀로그램 표시소자 화소 크기에 상관없이 홀로그램 영상 분해능을 결정하는 개구수를 유지함을 밝혔다.

이러한 원리를 이용, 최적화 알고리즘을 개발해 고주파수 영역으로 확장한 디지털 홀로그램을 만들고 생성한 디지털 홀로그램을 수치 해석적으로 분석한 결과, 홀로그램 화소 크기를 줄이지 않고도 영상 시야각을 기존 3.8도에서 13.1도로 4배까지 증가시킬 수 있음을 밝혀냈다.

연구진은 이번 성과에서 여전히 한계가 있다고 밝혔다. 바로 시야각을 3.8도에서 두 배 증가시킬 때 홀로그램 영상 크기도 두 배 커져야 하는데, 이때 영상이 중첩돼 보이는 문제가 생겨 고차 회절항을 필터링해줘야 한다는 점이다. 향후 광학적 고차 회절항들을 효율적으로 제거하는 광학적 필터링 방법을 개발해 홀로그램 디스플레이 실용화 연구에 도전할 계획이다.

ETRI 홀로그래픽콘텐츠연구실 채병규 박사는 "개발한 기술로도 증강현실에 사용하는 홀로그램 근안 디스플레이 아이박스 문제를 해결하는 데 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

과학기술정보통신부의 홀로그램 핵심기술개발사업과 ETRI연구개발지원사업의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 미국광학회 웹사이트 메인화면에 주요 연구 결과 영상으로 소개돼 주목받았다. 아울러, 광학회지 ‘옵틱스 익스프레스(Optics Express)’에 '홀로그래픽 디스플레이 시야각 확대에 대한 연구'로 발표됐다.

한편, ETRI는 지난 2012년 세계 최초로 360도 전 방향에서 관찰 가능한 컬러 홀로그램 디스플레이를 개발한 바 있고 지난 2020년에는 30도 시야각 홀로그램 디스플레이 기술개발로 세계 최대 디스플레이학회인 국제정보디스플레이학회(SID)에서 최고상을 받은 바 있다.