[전문가기고] 홀로그램 디스플레이와 3D입체영상산업 이슈(3)

입력 : 2020.03.30 10:19

[첨단 헬로티]

Ⅰ. 서언

1838년 영국의 Charles Wheatstone에 의해 처음 stereoscope가 고안된 이후 획기적인 발전을 거듭하면서 현재의 real-3D 디스플레이 기반의 4세대 디스플레이 기술로 발전하여 왔다. 이처럼 기본적인 원리와 기술이 오래전에 개발되었음에도 불구하고 눈의 피로 현상과 다수 시청자가 동시에 시청할 수 없는 한계점 등으로 인해 기존의 평면영상 디스플레이와는 달리 TV 또는 모니터와 같은 대량 소비가 가능한 영역에서의 3D 디스플레이 시장이 형성되지 못하고 있다.

그러나 최근 들어 평판 표시장치의 성능향상, 무안경식 시차 장벽 및 렌티큘라 기술의 완성도 향상, 눈의 피로현상을 최소화하는 경험적 기술의 축적을 통한 극장용 입체영상의 촬영, 생성, 디스플레이 및 투사기술의 발달로 인해 기술적인 한계를 극복해나가고 있다. 이와 함께 초 다시점 디스플레이기기, 체적영상(Volumetric image) 표시장치, 홀로그래픽 비디오(Holographic video) 표시장치 등 첨단 신기술들이 개발되면서 기술적 성숙도를 높여가고 있다. 아울러 ICT 기술력의 비약적인 발달로 인해 3D 영상재생을 위한 정보전달의 기반이 마련되고 있어 이를 구현할 수 있는 시스템과 콘텐츠 개발이 완성된다면 차세대 영상산업에서 3D 디스플레이가 매우 중요한 위치를 차지하게 될 것으로 예상된다.

Ⅱ. 기술개발 동향

1. 3D 입체영상 기반 기술

3D 입체영상 기술은 27대 중점 육성 녹색기술개발 과제 중(27. 가상현실기술)2) 하나로서 연구개발 및 투자방향 설정, R&BD 투자전략 및 인프라 구축을 적극적으로 추진하고 있는 정부 주도의 미래 유망기술이다. 하나의 콘텐츠가 PC, 스마트 미디어기기 및 TV 등의 매체에서 끊김 없이 제공되는 3-스크린 서비스 시대의 도래는 통신사업자, 콘텐츠 사업자 및 단말기 제조사들에게 새로운 비즈니스 모델로 떠오르고 있다. 특히 스마트폰 및 태블릿PC 등 스마트 미디어기기와 TV산업에서 세계 최고의 기술력과 인프라를 보유하고 있는 국내 관련 기업들의 시장지배력을 더 확대할 수 있는 기회가 될 수 있다[1].

지상파TV 방송 매체는 대화면/초박막형 하드웨어 기술과 디지털 TV방송의 획기적인 변화를 거치면서 Full-UHDTV<1920×1080(16:9)>의 방송 플랫폼을 구현하고 있다. 동시에 언제/어디서든 시청 가능한 WiFi 네트워크를 통한 모바일 IPTV 등 다매체 시대로 급속히 진화를 거듭하고 있다. 3D 입체영상을 구현하기 위해서는 3D 입체영상 촬영 및 편집기술, 3D 엔코딩 기술, 전송기술, 3D 디코딩 기술, 3D 디스플레이 기술이 기본적으로 요구된다. 아울러 영상의 깊이감을 표현하는 방법과 이 깊이감에 대한 인간의 시각기능을 규명하는 휴먼 팩터(Human factor)가 중요한 과제이다. 즉, 어떻게 하면 3D영상이 주는 신체적인 불편함을 최소화하면서 3D 콘텐츠 제공자가 의도한 입체의 깊이를 시청자가 지각할 수 있느냐 하는 문제인 것이다.

3D 입체영상 시스템 설계 및 제품화 과정에서 시청자의 심리학적, 지각적, 인지적, 감정적인 정보처리 특성을 구현하는 휴먼 팩터 기술수준은 바로 기존의 3D영화를 3DTV로 실현하기 위한 척도가 될 것이다. 따라서 시청자의 감각을 기계적으로 처리하는 과정을 이해하고 이들 간의 상호 영향을 고려하여 입체효과를 느끼게 하는 것이 중요한 요인이다. 아울러 시청자의 선택권 보장을 위해 가정용 3DTV 모니터는 2D와 3D를 동시에 전송하거나 2D/3D 영상변환기능이 있어야 할 것이며 궁극적으로는 무안경식으로 정착되어야 할 것이다[2][3].

2. 국내 기술개발 동향

(1) 기술수준 분석

가. 선진국 대비 기술수준

국내 3D 입체영상 관련 전후방 기술수준은 미국이나 일본 등 기술 선도국에 비해 아직은 기술격차가 있다. 3D 입체콘텐츠 제작의 경우 선진국과 기술격차가 3년이며, 3D 방송장비 및 카메라 등 하드웨어 분야는 기술격차가 3~5년인 것으로 파악된다. 무안경 방식 3D 디스플레이의 경우 기기 제조 관련 하드웨어 분야는 선진국 대비 2년, 홀로그램 방식을 적용하여 3D 입체영상을 표시하는 기술은 5년의 기술격차를 갖고 있는 것으로 나타났다[4][5]. 국내 3D 입체영상 관련 주요 기술의 선진국 대비 기술수준을 표 1에 나타낸다.

표 1. 국내 3D 입체영상 기술 수준

나. 소프트웨어 및 하드웨어 기술수준

국내 3D 입체영상 관련 소프트웨어 및 하드웨어 기술 역시 인프라가 취약한 편이다. 디지털 홀로그램 등 핵심 기술력이 아직은 부족하며, 2D 영화에 비해 10배 정도의 제작비가 소요될 것으로 추정되는 3D용 영화나 방송 제작을 위한 장비(촬영장비 및 카메라 등)가 갖추어지지 않은 상태이다. 3D 입체 콘텐츠를 제작하기 위해서는 기존의 2D 평면영상을 3D 입체영상으로 변환하는 기술이 필요하다. 현재 SK텔레콤이 이 분야에 관심을 가지고 중소 벤처기업들과 함께 관련 기술을 개발하고 있다. 점차 3D용 제작 장비의 수요가 증가하고 있으나 현재 국내 업체들은 일본에 비해 3D 영상장비 기술 경쟁력이 현저하게 부족한 편이다. 입체 안경 등과 같은 기본적인 장비들도 원천기술이 아직 부족한 편이다. 3D용 제작 장비의 국산화율 및 경쟁력 분석결과를 표 2에 나타낸다.

표 2. 3D용 제작 장비의 국산화율 및 경쟁력 분석

(2) 홀로그램 기술개발 현황

국내에서는 연구소(한국전자통신연구원, 한국과학기술정보연구원)을 중심으로 홀로그램 정보 획득, 프로세싱 기술 및 디스플레이·소자 등 기초연구를 진행하고 있다. 아울러 정부는 2015년까지 무안경식 3DTV 서비스를 위한 R&D에 집중하기로 하고 미래 3D 핵심기술인 홀로그램 경쟁력 확보를 위한 투자를 병행하고 있다. 현재 국내 관련 업계의 3D 핵심기술인 홀로그램 기술수준은 미국 및 일본 등 기술 선도국 대비 50% 정도에 이르는 것으로 분석된다[6][7]. 국내 홀로그램 기술개발 현황을 표 3에 나타낸다.

표 3. 국내 홀로그램 기술개발 현황

(3) 2D/3D 영상변환 기술개발 현황

real-3D 홀로그램 기술이 대중화되기까지 과도기 동안에는 2D/3D 영상변환 기술을 상용화할 가치가 있다. 이를 통해 과도기적 현상과 제반 문제점을 보완하고 글로벌 동향을 면밀히 모니터링 하면서 수요니즈를 충족할 수 있는 연착륙 전략이 필요하다. 현재 국내 2D/3D 영상변환 기술력과 3D 디스플레이 기기 및 소프트웨어적인 기술은 세계 수준의 경쟁력을 보유하고 있다. 그러나 무안경식 3DTV 및 디지털 홀로그램 등의 핵심기술과 3DTV용 방송장비 등은 미국이나 일본 등 기술선도국과 비교하여 아직 취약한 편이다. 2D/3D 영상변환 기술을 활용한 국내 기술개발 현황을 간단히 요약하면 다음과 같다[6][7].

- VMJ는 2010년 4월 일본 도쿄 빅사이트에서 개최된‘Fine Tech Japan 2010’에 2D/3D 영상변환 소프트웨어, 3D 입체영상 카메라 및 3DTV용 모니터 등을 출품한바 있다.

- 2D/3D 영상변환 소프트웨어(Deep Outside 3D.Z)는 2D로 제작된 게임이나 웹 사이트를 3D로 볼 수 있으며, 입체감도 사용자가 원하는 대로 지정할 수 있어 우수한 기술로 평가받은바 있다.

3. 글로벌 기술개발 동향

(1) 유사 홀로그램 기술 개발동향

세계 최초의 유사 홀로그램 기술로 꼽고 있는‘페퍼의 유령(Pepper's Ghost)’은 최근 상업적으로 많이 이용되고 있는 플로팅 방식 홀로그램의 원형으로서 영국의 홀로그램 전문기업인 Musion에서 제작한 것이다. 이 프로젝션 시스템은 1400×1050 해상도와 7000루멘즈3) 이상의 밝기를 가진 DLP 프로젝터4)로 영상을 재생하여 투명 호일에 투사함으로써 공중에 떠 있는 것 같은 이미지를 연출함으로써 공연, 광고, 전시 및 화상회의 등에 많이 이용되고 있다[8]. DLP 프로젝터와 투명막을 사용한 뮤션의 플로팅 홀로그램 재생원리를 그림 1에 나타낸다.

그림 1. Musion(영국)의 플로팅 홀로그램 재생 원리

* 자료 : 한국콘텐츠진흥원(2017.12).

(2) 홀로그래픽 TV 개발동향

재료, 화학 및 나노기술의 발전에 힘입어 홀로그래픽 데이터를 표현하고 이를 실사로 재현할 수 있는 홀로그래픽 TV 개발 연구가 미국, 일본 및 유럽 등 해외 대학 및 연구소를 중심으로 연구되어 왔다. 각 국가별로 간단히 요약하면 표 4와 같다[7][8][9].

표 4. 주요국의 홀로그래픽 TV 개발동향

홀로그램 관련 글로벌 기술을 주도하고 있는 미국, 일본 및 유럽의 홀로그램 기술개발 현황을 표 5에 나타낸다.

표 5. 글로벌 홀로그램 기술개발 현황

Ⅲ. 디지털 홀로그램 기술상용화 동향

1. 개요

디지털 홀로그램 기술은 그간 이론적으로는 커다란 발전을 지속하여 왔으나 물리적 및 기계(장치)적 측면에서의 상용화에 이르기에는 아직 몇 가지 한계점이 있다. 예를 들어, TV용 40인치급 이상의 광 시야각을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이를 실현하기 위해서는 각 픽셀 간 픽셀 피치(Pixel Pitch : 홀로그램 영상의 각 픽셀 간 간격)가 1㎛ 이하인 디스플레이 패널 제조기술이 필수적으로 요구된다. 그러나 현재의 평판 디스플레이 기술수준으로는 한계가 있다. 현재의 기술수준을 고려할 때 TV용 홀로그래픽 디스플레이에 활용 가능한 픽셀 피치가 1㎛ 이하인 공간광변조기(SLM)5)를 개발하기까지는 10년 이상이 걸릴 것으로 예상된다[6].

또한 충분한 시야각을 가진 공간광변조기를 개발한다 하더라도 고화질의 동영상 디지털 홀로그램을 생성하고 이를 재현하기 위해서는 수백 페타 플롭스(peta-flops) 이상의 홀로그램 생성처리 성능과 HDTV의 해상도의 수십만 배 이상의 홀로그램 해상도가 필수적이다. 홀로그래피 기술이 상용화되기까지 여러 가지 기술적 해결사항들이 있지만 최근 3D 입체영상 산업과 그 이후의 기술로 디지털 홀로그래피 기술이 관련 업계의 관심이 집중되면서 상용화 시기는 예상보다 훨씬 앞당겨질 것으로 전망된다. 이처럼 3D 입체영상 산업의 부상과 함께 홀로그래피에 대한 관심이 높아지면서 미국, 일본 및 유럽 등에서도 홀로그래피 연구가 가속화되고 있다.

2. 디지털 홀로그램 기술상용화 동향

(1) 미국의 기술상용화 동향

가. 무안경식 홀로그램 디스플레이 개발

미국의 Hewlett Packard 연구소에서는 2013년 3월 무안경식 홀로그램 디스플레이를 개발하였다. 인간의 양쪽 눈에 각각 다른 영상을 노출시킨 후 해당 콘텐츠를 뇌에서 3D 입체영상으로 인식할 수 있도록 빛의 방향을 조작하는 방식으로 홀로그램을 구현하여 상용화를 추진하고 있다. 현재는 14개의 레이저 발광장치를 탑재하고 있는 홀로그램 송출장치를 이용하고 있어 완벽한 입체효과를 구현하기에는 미흡하지만 향후 64개의 레이저를 탑재하여 보다 정교한 홀로그램 구현이 가능한 송출장치를 개발할 계획이다.[9].

나. 시선추적 기술을 이용한 스마트폰 개발

미국의 Amazon은 홀로그램 구현이 가능한 스마트폰을 개발하여 상용화를 추진하고 있다. 이 스마트폰에는 3D 입체영상을 구현할 수 있는 디스플레이 패널 대신에 각 모서리에 4개의 카메라를 탑재하여 사용자의 눈과 머리의 움직임을 인식하는 이른바 시선추적 기술(Retina tracking technology)을 이용한 것이다. 이를 통해 스마트폰 내 이미지를 홀로그램처럼 보여줌으로써 어느 각도에서든 콘텐츠에 대한 입체감을 느낄 수 있도록 설계된 것이다.

다. 컬러 홀로그램 프로젝터 개발

미국 MIT 미디어 랩에서는 저비용으로 구현 가능한 컬러 홀로그램 프로젝터를 개발하여 상용화를 추진하고 있다. 이 프로젝터는 400×400×138 픽셀의 해상도와 초당 30프레임의 홀로그램 이미지를 제공할 수 있어 일반 TV와 유사한 화질을 구현할 수 있다. 음파로 빛의 방향을 조작할 수 있는 도파관(Wave guide)을 핵심 부품으로 탑재하여 음파의 조정만으로 색상 변환이 가능하여 적은 수의 부품을 이용하여 컬러를 표현할 수 있는 장점을 갖는 것으로 평가받고 있다. 이 프로젝터에 탑재된 도파관의 핵심 칩셋 제작비용은 10달러에 불과하며, 기존의 공간광변조기를 이용한 홀로그램 구현기술 대비 효율성이 뛰어나 향후 일반 평면TV와 비슷한 가격의 홀로그램 TV를 상용화할 수 있을 것으로 기대하고 있다[9].

(2) 일본의 기술상용화 동향

가. 풀 컬러 홀로그램 개발

일본 NICT(National Institute of Information and Communication Technology : 국립 정보 커뮤니케이션 기술연구원/일본 총무성 산하의 연구기관)에서는 2010년 세계 최초로 풀 컬러 홀로그래피 디스플레이를 개발하여 상용화를 추진하고 있다. 4cm의 대각선 길이를 갖는 디스플레이 패널에 15도 각도의 시야각을 가진 컬러 홀로그램 디스플레이를 구현한 것이다. 3,300만 픽셀의 초고해상도 화면을 구현함으로써 기존 홀로그램 재생기술에 비해 넓은 시야각과 표현면적을 확보함과 동시에 고해상도의 컬러 동영상 홀로그램을 구현한 것으로 평가받고 있다[9].

나. 입체 홀로그램 투사기술 및 HD급 공간광변조기 개발

NICT는 2010년 평면 공간위에 높이감을 구현할 수 있는 360도 입체 홀로그램 투사기술(f-Vision)을 개발하였다. 이는 NICT가 자체 개발한 특수 광학소자와 다수의 소형 프로젝터를 활용하여 홀로그램을 구현한 것으로서 구현된 홀로그램은 360도에서 관찰이 가능하며, 정지 및 동영상 이미지를 모두 투사할 수 있다. 2011년 NICT는 이 기술을 이용한 데모 영상 시연에 성공하여 상용화를 추진하고 있다[9]. 일본 NHK에서는 2012년 홀로그램 장비 및 기술을 개발하였다. 현재는 1,280×720 및 1,920×1,080 해상도를 구현하는 HD급 공간광변조기 개발에 주력하고 있다. 2012년 5월 픽셀 피치가 세계 최소 수준인 1㎛ 이하이고 시야각이 30도에 이르는 고해상도 홀로그램 구현이 가능한 공간광변조기를 개발하여 상용화를 추진하고 있다. 동영상을 재생할 수 있는 수준까지는 이르지 못했으나, 입체감이 뛰어난 이미지 출력에는 성공한 것으로 평가받고 있다[9].

Ⅳ. 맺음말

3D영화 흥행 이후 전 세계적으로 3D 입체영상 산업에 대한 관심이 집중되고 있다. 이에 전 세계적으로 3D 입체영상 구현을 위한 기술개발 노력이 가속화되고 있다. 특히 대화면/고화질/고해상도를 갖춘 FPD(평판디스플레이) 기술이 3DTV의 상품화를 가속시키고 있다. 가상현실이 가상세계를 실제와 같은 느낌으로 체감하게 하는 것이라면, 현실과 가상의 세계를 융합하여 인식하는 것이 증강현실이다. 3DTV는 가상현실과 증강현실의 세계를 동시에 체감할 수 있는 복합 현실시대를 예고하고 있는 것이다. 이에 국내 3D 입체영상 산업 활성화를 위해서는 학제 간 융합연구를 통한 3D 융합산업 저변확대, 체계화 된 산 ․ 학 ․ 연 표준화 협력기구의 발족, 미국이나 일본 등 기술선도국의 3D 융합산업 벤치마킹 및 3D 관련 단체와의 국제협력 네트워크 구축 등이 선행되어야 할 것이다.

그러나 real-3D 입체영상을 시청할 수 있는 Full-HD급 3D 디스플레이의 낮은 보급률, 공익성이 있는 고품질의 3D 콘텐츠의 절대 부족, 3DTV 방송을 위한 전송표준의 미 확립 등 아직 풀어야 할 많은 과제를 안고 있다. 아울러 궁극적인 목표인 지상파TV 방송사의 3D 입체방송 인프라의 미비, 3D 방송용 콘텐츠의 미비, 수익모델의 부재, 눈의 피로감이나 어지럼증 등을 해소할 수 있는 안전기준과 가이드라인도 미비한 상태이다[1]. 이러한 요인들을 해결하여 저번확대가 이루어질 때 3DTV 중신의 입체영상 서비스를 제공할 수 있을 것이다.

[주석]

1) 5G 이동통신시스템 핵심기술로 주목받고 있는 홀로그램 디스플레이 기술과, 이를 응용한 3D 입체영상 산업동향에 대해 3~4회 정도 연속 게재함

2) 그린테크놀로지 개발전략의 일환으로 선정된 27대 중점 육성 녹색기술개발 과제 중 27. 가상현실기술

3) lumen[lm] : 광속의 단위로서 1[lm]은 1[cd]의 광도를 가진 점광원에서 입체각 1[sr]의 원뿔모양 안으로 방출하는 광속의 크기를 의미함. 또한 1[lm]은 555[nm]의 파장과 1/683[W]의 방사속을 갖는 단색방사 광속도를 의미함

4) Digital Light Processing(디지털 광원처리) : 1987년 미국의 Texas Instrument에서 개발한 영상 프로젝터로서 R/G/B 광원을 사용하는 LCD(Liquid Crystal Display) 프로젝터에 비해 컬러 표현력이나 밝기는 좀 떨어지지만 제품 수명이 길고, 내구성이 뛰어나 관리가 용이하며, 값이 저렴한 편임

5) 공간광변조기(SLM : Spatial Lighter Modulator) : 1980년대 중반에 개발된 기술로서 전자적, 광학적 입력신호에 의해 광파의 진폭, 위상, 편광상태 및 진행방향 등을 공간적으로 제어하는 소자를 의미함. 디지털 홀로그램 디스플레이에서 생성된 홀로그램을 재현하는 기능을 함

박세환 전문위원 (주)기술법인 엔펌(ENF : Engineering Firm)

한국CCTV연구소(KCI)_영상보안CCTV산업발전연구회장

용인시정연구원_비상임연구위원

한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램_전문위원