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홀로그램
홀로그램(Hologram)은 홀로그래피(holography) 기술을 통해 존재하지 않지만 실제와 같은 3차원 영상이나 이미지를 재현하는 기술이다. 그리스어로 '전체' 혹은 '모두'를 뜻하는 홀로(holos)와 '정보'를 뜻하는 그램(gram)을 합쳐 이름이 붙여졌다. 상용화된 홀로그램으로는 지폐나 제품의 위변조를 방지하거나 소프트웨어의 복제를 방지하는 데 사용되고 있다.[1]
목차
역사
홀로그램은 1947년 헝가리 출신의 영국 물리학자 데니스 가보르(Dennis Gabor)가 전자현미경의 해상도를 개선하던 중 처음 제시한 홀로그래피를 기본 원리로 한다. 홀로그래피는 그리스어로 '전체'를 의미하는 홀로(holo)와 '기록'을 뜻하는 그래핀(graphein)의 합성어로 '모든 것을 기록하는 기술'을 의미한다.[1] 데니스 가보르는 전자현미경의 상을 개선하기 위한 방법으로 재생 시에 전자선보다 파장이 긴 빛을 이용해 상을 확대해 재생하고자 했다. 하지만 당시에는 간섭성이 좋은 가간섭성(coherence)의 전자선을 얻을 수 없어 수은 등을 이용해 기록과 재생실험을 했다. 수은 등 빛을 작은 구멍에 통과 시켜 간섭성이 좋은 광원을 얻고자 했지만 데니스 가보르가 얻은 상은 희미한 이중상이어서 그 당시엔 그다지 주목받지 못했다. 하지만 1960년대에 시어도어 메이먼(Theodore Maiman)에 의해 레이저가 발명된 후부터 본격적으로 연구 및 개발되기 시작했다.[2] 오늘날 많이 사용되는 무지개 홀로그램은 1970년대 미국의 물리학자 스티븐 벤턴(Stephen Benton)에 의해 개발되었다. 무지개 홀로그램은 좁은 간격의 슬릿을 물체의 상과 같이 기록하고 재생할 때에는 홀로그램 앞에 슬릿(slit)의 영상이 같이 재생되어 이 슬릿을 통해 물체의 상을 관찰한다. 무지개 홀로그램은 상이 밝고 컬러로 재현된다는 장점이 있다. 오늘날 신용카드에 사용되는 홀로그램이 바로 무지개 홀로그램이다.[3]
원리
홀로그램은 빛의 반사, 회절을 이용한다. 물체로부터 반사되어 사람에게 보이는 빛을 파동으로 이해하고, 이 파동에 대한 모든 정보를 빛의 간섭무늬로 기록한다. 하나의 레이저에서 나온 빛을 빔스플리터로 둘로 나누어 그 중 하나의 빛으로 피사체를 비추면 피사체 표면에서 난반사된 빛이 홀로그래피의 감광재료에 도달한다. 이 빛을 물체광(object beam)이라고 한다. 나머지 다른 빛은 렌즈로 확산시켜 직접 홀로그래피 감광재료의 전면에 비추게 하는데, 이 빛을 참조광(reference bream)이라고 한다. 이렇게 두 빛이 만났을 때, 홀로그래피 감광재료상에 물체광과 참조광 사이에 간섭현상이 일어나며 밝고 어두운 수많은 선으로 이루어진 간섭무늬가 만들어지는데, 이 간섭무늬에 피사체의 진폭과 위상이 기록된다. 이 간섭무늬를 기록한 사진이 바로 홀로그램이다.[4] 홀로그램은 빛의 간섭 특성에 의해 실제 사물에 대한 3차원 정보를 획득할 수 있고, 빛의 회절과 굴절의 특성을 이용해 실제 사물이나 가상의 물체를 3차원 공간상에 마치 실제처럼 왜곡 없이 재현할 수 있도록 한다.[5] 홀로그램은 여러 조각으로 나눠도 각각의 조각에서 전체의 상을 재현할 수 있다. 하지만 조각이 작아질수록 상은 점점 희미해진다.[1]
종류
홀로그램은 재생, 생성 방식에 따라 크게 3가지로 분류된다. 광원으로 레이저를 사용하며 사진 촬영을 응용한 3차원 영상 이미지 제작 기술을 아날로그 광학 홀로그래피(optical holography)라고 하고, CCD 카메라나 시모스(CMOS) 센서 등의 이미지 센서로 촬영한 3차원 디지털 데이터를 획득하여 홀로그램을 생성하며 저장과 처리 및 편집이 가능한 형태에 대한 기술을 디지털 홀로그래피(digital holography)라고 한다. 그리고 완전한 홀로그램은 아니지만 초다시점(super-multiview) 입체영상을 촬영하거나 반 투과형 스크린을 투영하는 영상 등 홀로그램 영상처럼 모방한 유사 홀로그램이 있다. [2]
아날로그 홀로그램
아날로그 홀로그램은 광원으로 레이저를 사용하고 기록재료로 홀로그램 필름, 포토 폴리머 등을 사용해 피사체의 간섭 패턴을 기록재료에 기록하고 재생한다. 아날로그 광학 홀로그램을 기록하기 위해서는 파장 및 위상에 일관성이 있는 결맞는 성질(coherent)을 가진 레이저 빛을 빔스플리터를 이용해 두 개로 나누고, 두 레이저 중 하나는 물체를 향하게 하며 이것을 물체파라고 한다. 물체파가 피사체에 부딪혀 반사되는 레이저 빛은 필름으로 향하게 한다. 다른 하나는 기준파라고 하며, 경로는 기록재료인 필름판 위에 직접 코히어런트 광원을 입사하게 한다. 피사체에서 반사된 밝기와 위상정보를 가진 빛인 물체파와 필름판에 직접 주사된 기준파가 만나 발생하는 빛의 회절과 간섭무늬를 기록하면 3차원의 입체 정보를 가진 홀로그램이 된다. 이 입체 정보를 재생하기 위해서는 레이저 광원을 비춰보는 것이 가장 좋다. 이러한 아날로그 홀로그램은 주로 전시나 예술 분야 등에서 다양하게 활용되고 있다. 아날로그 홀로그램은 편집이나 압축, 전송이 불가능하다는 단점이 있다.[2]
디지털 홀로그램
디지털 홀로그래피는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라나 시모스 센서 등 이미지센서로 촬영해 얻은 3차원 디지털 데이터를 이용해 홀로그램을 생성하고, 저장과 처리, 편집, 압축, 전송이 가능하다. 디지털 홀로그램은 고해상 공간광변조기(SLM; spatial light modulator)를 이용해 영상을 재생할 수 있다. 디지털 홀로그래피 기술은 피사체의 위상 정보나 3차원 정보에 대한 기록이 가능하고 피사체의 정량적인 해석이 가능하며 현상 처리가 필요하지 않다는 특징이 있다. 디지털 홀로그래피에서는 참조광을 이미지 센서에 대하여 거의 수직으로 조사하는 인라인 홀로그램을 사용하여 미세한 간섭 패턴을 기록한다. 인라인 홀로그램을 사용하면 한 장의 간섭무늬 영상을 촬영해 피사체의 3차원 영상의 정보를 기록, 재생할 수 있다. 따라서 움직이는 피사체에도 적용이 가능하다. 실제로 존재하지 않는 피사체 또한 컴퓨터 그래픽으로 생성, 촬영해 구현할 수 있다.[2] 디지털 홀로그램에서 홀로그램 영상을 획득하는 기술은 실제 물체의 3차원 정보를 획득하거나 컴퓨터 그래픽으로부터 영상을 가져오는 방법으로 구분할 수 있다. 실제 물체를 직접적으로 획득할 수 있는 기술은 대표적으로 두 가지가 있는데, 자가 간섭계(self-interference) 기술과 광 스캐닝 홀로그래피(optical scanning holography)이다. 최근에는 컴퓨팅 기술의 발달로 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH; computer generated hologram)으로 실사 영상 및 3차원 객체를 생성하여 완벽하게 재현할 수 있는 다양한 기술이 개발되고 있다.[6] 컴퓨터 생성 홀로그램은 3차원 좌표와 그 점에서의 색상정보를 얻고 수학적 모델에 따라 홀로그램을 계산해 합성한다. 디지털 홀로그램 생성의 궁극적인 목적은 실제와 같은 3D 영상 데이터를 담은 컴퓨터 생성 홀로그램을 실시간으로 생성하는 것이다. 이것을 실현하기 위해서 방대한 양의 계산 처리를 위한 알고리즘을 개발하고, 고속화 그래픽 프로세싱 알고리즘의 개발이 진행되고 있다.[2]
유사 홀로그램
유사 홀로그램은 슈도 홀로그램(pseudo hologram)이라고도 하며 플로팅(floating) 홀로그램이라고도 불린다. 디지털 영상 합성 기술을 통해 투명한 막 뒤에 이미지가 만들어지도록 투사해 실제 사람이나 물체가 그 이미지를 자유롭게 통과하거나 바로 앞에 있는 것과 같은 착시를 일으킨다.[7] 플로팅 홀로그램은 보통 아홉 대 이상의 카메라를 배치하고, 초다시점(super-multiview) 입체영상을 촬영해 홀로그램과 유사한 입체 효과를 구현하는 기술과 미리 촬영한 입체 영상을 반투과형 스크린을 이용해 홀로그램 효과를 낸다. 유사 홀로그램은 진정한 홀로그램이라기 보다는 눈속임 기술에 가깝다.[8] 플로팅 홀로그램 방식은 1862년 영국의 발명가인 헨리 더크(Henry Dirk)가 고안한 페퍼스 고스트(Pepper's Ghost)라는 마술 환등극에서 시작되었다. 헨리 더크는 극장 연극 무대에서 착시효과를 이용해 환영을 사용했는데, 빛이 그대로 통과하기도 하면서 빛을 반사하기도 하는 투명한 스크린이 이 기술의 핵심이었다. 이 기술에 쓰인 투명한 스크린은 포일(foil)이라고 불렀는데, 포일은 관객 방향으로 45도 각도로 기울어지게 무대에 설치된다. 포일에 영상을 비추는 것은 무대 밑에 설치된 또 다른 스크린이다.[9] 먼저 무대 천정에서 바닥을 향해 영상을 비추도록 설치된 프로젝터가 미리 녹화된 영상을 무대 바닥을 향해 비춘다. 바닥에 있는 스크린은 프로젝터가 쏜 영상을 담고 다시 반사되어 무대 위에 45도 각도로 설치된 투명한 포일에 영상이 비친다. 무대 앞에 있는 관객들은 무대 천정이나 바닥에 있는 프로젝터와 스크린을 볼 수 없고, 무대 위의 투명한 포일에 떠오른 영상만을 볼 수 있어 마치 실제같은 영상을 볼 수 있어 몰입감이 극대화 된다.[8] 이 원리는 오늘날의 플로팅 홀로그램의 입체영상 구현에 큰 영향을 미쳤다. 하지만 최근에는 스크린이나 막의 소재와 디스플레이, 그리고 조명 기술의 발달 등의 성능 향상으로 영상의 품질이 높아져 실제와 가상의 구분이 어려워졌다[9] 페퍼스 고스트와 비슷하지만 조금 다른 방법인 프리 포맷 기술이 있다. 프리 포맷은 무대 뒤에 설치된 프로젝터가 무대 위 스크린에 직접 영상을 비추는 방식이다. 이 프리 포맷에서의 스크린은 페퍼스 고스트에서 사용되는 투명 포일 스크린과는 달리 마치 모기장처럼 생긴 스크린에 직접 영상을 비춘다. 프리 포맷 방식은 고스트 페퍼스와는 달리 스크린을 기울여 설치할 필요가 없이 직각으로 설치하며 구조를 복잡하게 설계할 필요가 없어 무대 설치 비용이 상대적으로 저렴하다. 하지만 무대 뒤에서 쏘는 빛이 관객들에게 직접 보여 페퍼스 고스트보다 현실감이 상대적으로 덜하다는 단점이 있다.[8]
텐저블 홀로그램
텐저블 홀로그램(tangible Hologram)은 공중 플라즈마 디스플레이라고 한다. 일반적인 홀로그램은 일종의 착시 현상으로 실체가 없지만, 텐저블 홀로그램은 물리적으로 만지는 것이 가능한 3차원 입체 영상이다. 일본의 쓰쿠바대학의 연구진들이 개발했으며 피부에 직접 닿아도 안전한 플라즈마로 홀로그램 이미지를 구현한다. 텐저블 홀로그램은 적외선 레이저로 공기 분자를 이온화해 플라즈마 상태로 만든 뒤 플라즈마가 빛을 내뿜도록 해 홀로그램을 구현한다. 30~100 펨토포 단위의 펄스 폭을 가진 레이저를 이용해 구현해 초당 최대 20만 복셀로 해상도가 매우 선명하지만, 크기가 최대 1㎤로 매우 작은 편이다. 플라즈마를 만졌을 때 플라즈마에서 발생하는 충격파가 손에 닿으면서 실체가 있는 물체를 만지는 것처럼 손에 압력을 전달해 직접 만지는 느낌을 줄 수 있다. [5]
응용 분야
사물의 정보를 정밀하게 획득하고 구현할 수 있는 홀로그램은 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 인체와 기계의 정밀 진단부터 자율주행 자동차, 보안, 엔터테인먼트, UI 등 응용범위는 매우 넓다.
의료
의료 분야에선 홀로그램 3D 영상을 활용해 의료진단 등에 활용한다. 엑스선이나 초음파를 사용해 찍은 단층 사진을 입체 화상화하려는 연구가 진행되고 있다. 의사들은 환자의 환부의 여러 층의 단층 사진을 보며 머릿속으로 입체상을 만들어 진단한다. 하지만 그렇게 해서는 정확히 진단을 내리기 어렵기 때문에 환부의 입체 이미지를 얻기 위해 홀로그램을 사용한다. 의료용 3D 홀로그램을 통해 수술의 정확도와 효율성 또한 향상되었다.[1]
보안 및 금융
암호화와 개인정보 분야에서 홀로그램이 사용된다. 홀로그램을 이용해 개인 정보를 저장하고 읽을 수 있다. 아이디 카드 및 보안 카드, 여권 등에 활용할 수 있으며 지폐와 신용카드의 정보를 홀로그램을 이용해 기록할 수 있다.[5]
문화
미술 공예품, 건조물, 자연경관이나 중요한 문화재 등의 기록을 간결하고 정확하게 보존할 수 있다. 또한 가상 전시품을 극사실적인 홀로그램 재현 기술로 구현해 전시할 수 있다. 홀로그램을 이용한 공연이나 콘서트에도 활용 가능하다.[5]
자동차
커넥티드카를 위한 홀로그램 증강현실 기술 개발회사 웨이레이(WayRay)가 소비자 가전 전시회2020(CES 2020)에서 자율주행 자동차의 자동차 인포테인먼트 시스템을 위한 새로운 홀로그래픽 증강현실 디스플레이 기술을 선보였다. 이 회사는 처음으로 홀로그램 증강현실 디스플레이에 청색 레이저를 추가하여 완전한 GRB(레드, 그린, 블루) 색의 홀로그램 기술을 보여주었다. 자동차 앞에 가상물체를 보여주기 위해 홀로그램과 광학 요소가 설치되어 있으며, 이 요소는 가상이미지를 생성하여 운전자의 눈과 적절한 거리에서 경료 관련 정보를 표시해 준다. 이를 통해 전달된 데이터는 풀 HD 카메라를 통해 주변 환경에 매핑되고 이 결과물인 가상물체를 실시간으로 디스플레이 해준다.[10]
엔터테인먼트
기존 공연에 홀로그램 기술을 이용해 관객들에게 몰입감을 극대화할 수 있다. 현장에 공연자가 실제로 공연하는 것처럼 실시간으로, 도는 미리 촬영한 영화를 홀로그램 화 해 공연을 할 수 있다.[5] 2014년 빌보드 뮤직 어워드에서는 유사 홀로그램을 이용해 2009년에 사망한 가수인 마이클 잭슨의 홀로그램 공연을 선보였다.[1]
전망
홀로그램은 단순히 영상을 재현하는 것 뿐만 아니라, 기존 산업 기술과의 융합을 통하여 의료, 계측, 에너지, 보안, 인쇄, 교육, 자동차 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 또한 최근엔 첨단 고부가가치 산업으로 성장하고 있다.[11] 글로벌 산업 홀로그램 시장은 2018년 160억 달러로 추산되며 2022년에는 205억 달러로 연평균 6.8%내외로 지속적으로 성장할 것으로 전망된다. 그 중 미국은 산업 홀로그램 분야에서 세계 최대의 시장으로, 2018년 전체 글로벌 시장 가치에서 51%를 차지한 것으로 추정된다. 홀로그램 시장에서는 의료기기와 같은 산업장비가 전체의 63%를 차지하고 있는 것으로 보이지만, 인쇄 및 전시, 보안인증, 광학소자(HOEs) 분야의 성장으로 균형 있게 성장할 것으로 보인다. 현재는 아날로그 홀로그램 기술이 보안이나 인증, 인쇄 등의 분야에서 다양하게 활용되고 있지만 최근 디지털 홀로그램과 관련한 연구가 전 세계적으로 주목받고 있어 디지털 홀로그램 시장 또한 지속적으로 성장할 것으로 보인다. 국내에서의 홀로그램 시장 규모는 삼성전자㈜, 엘지전자㈜ 등 일부 대기업을 제외하면 매우 협소한 편이지만, 연평균 10%의 성장률을 보일 것으로 전망된다.[7]
동영상
- 텐저블 홀로그램
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 〈홀로그래피〉, 《위키백과》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 박성환 미래방송연구회 부회장, 〈홀로그램 기본 원리와 종류〉, 《월간방송과기술》, 2016-10
- ↑ 〈홀로그램〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈홀로그래피〉, 《사이언스올》
- ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 〈홀로그램 기술소개 및 산업동향〉, 《첨단정보통신융합산업기술원》
- ↑ 한국전자통신연구원 디지털홀로그래피연구실 남제호·김진웅 책임연구원, 김하얀 연구원, 오관정·임용준·홍기훈 선임연구원, 〈디지털 홀로그래피 기술 개요 및 표준화 동향〉, 《TTA저널 Vol.185》
- ↑ 7.0 7.1 이길영, 〈홀로그램 기술의 이해와 서비스 사례〉, 《정보통신산업진흥원》, 2019-08-22
- ↑ 8.0 8.1 8.2 〈플로팅 홀로그램〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 9.0 9.1 한국영상대학교 손창범 광고영상디자인학과 교수, 〈플로팅 홀로그램에서의 영상표현 연구 - 홀로그램 피라미드를 중심으로 -〉, 《한국일러스트레이션학회 학술지》, 2017
- ↑ 〈의료와 자동차 산업에서의 디지털 홀로그래피 기업 기술 동향〉, 《SW중심사회 소프트웨어정책연구소》, 2020-05-28
- ↑ 안주명, 〈홀로그래피 기술 및 시장 동향〉, 《KIST 융합연구정책센터》,2017-06-05
참고자료
- 〈홀로그램〉, 《나무위키》
- 〈홀로그래피〉, 《위키백과》
- 〈플로팅 홀로그램〉, 《네이버 지식백과》
- 〈홀로그램〉, 《네이버 지식백과》
- 〈홀로그래피〉, 《사이언스올》
- 경제학계론, 〈홀로그램의 원리 및 종류〉,네이버 블로그, 2017 -09-15
- 이길영, 〈홀로그램 기술의 이해와 서비스 사례〉, 《정보통신산업진흥원》, 2019-08-22
- 박성환 미래방송연구회 부회장, 〈홀로그램 기본 원리와 종류〉, 《월간방송과기술》, 2016-10
- 〈홀로그램 기술소개 및 산업동향〉, 《첨단정보통신융합산업기술원》
- ETRI 디지털홀로그래피연구실 남제호·김진웅 책임연구원, 김하얀 연구원, 오관정·임용준·홍기훈 선임연구원, 〈디지털 홀로그래피 기술 개요 및 표준화 동향〉, 《TTA저널》
- 한국영상대학교 손창범 광고영상디자인학과 교수, 〈플로팅 홀로그램에서의 영상표현 연구 - 홀로그램 피라미드를 중심으로 -〉, 《한국일러스트레이션학회 학술지》, 2017
- 안주명, 〈홀로그래피 기술 및 시장 동향〉, 《KIST 융합연구정책센터》, 2017-06-05
- 〈의료와 자동차 산업에서의 디지털 홀로그래피 기업 기술 동향〉, 《SW중심사회 소프트웨어정책연구소》, 2020-05-28
같이 보기
