일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
3D 영상장치, 육안으로 볼 수 있게
지바대학, 홀로그램을 이용해 입체적으로 개발

-- 눈에 대한 부담도 적어 --
지바(千葉)대학은 빛의 간섭 현상을 이용해 입체 정보를 기록하는 ‘홀로그래피’를 이용한 3D 영상장치를 개발하고 있다. 전용 안경을 쓰지 않고 어느 각도에서도 육안으로 입체적으로 보인다. 안경을 사용하는 타입에 비해 눈에 대한 부담이 적다. 하지만 정밀한 화면을 움직이기 위해서는 높은 계산 능력이 필요하다. 지바대학은 프로그래밍 기술과 함께 전용 계산기를 독자적으로 개발해 비용을 낮췄다. 10년 후의 실용화를 목표로 한다.

지바대학의 이토(伊藤) 교수의 연구실. 화면의 주변에 녹색의 인공위성이 떠있다. 홀로그램의 원리를 이용한 3D 영상이다. 육안으로 어느 방향으로 보아도 입체적으로 보였다.

-- 빛의 간섭 현상을 이용 --
3D 영상을 평면에 기록해 재생하는 홀로그래피는 빛의 간섭 현상을 이용한다. 동일한 광원으로 물체와 유리판 등 기록 재료에 빛을 비춰 유리판에 물체의 모습을 새긴다. 그 위에서 ‘참조광’을 비추면 물체의 입체상이 재현된다.

홀로그램 자체는 1947년에 발명되었다. 유리판에는 참조광과 물체의 ‘간섭 무늬’라는 줄 모양으로 기록된다. 빛이 얼마만큼 강한지(진폭)와 어느 방향으로부터 왔는지(위상) 등의 정보가 기록되는 것이다.

지바대학 연구팀이 연구하는 것은 디지털로 움직이는 3D 영상이다. 우선 CG을 바탕으로 줄 무늬 모양을 만든다. 줄 무늬 모양을 고정밀 디스플레이로 찍고 빛을 비추면 입체상이 나타난다. 동영상으로 하기 위해서는 CG 1장마다 줄 무늬 모양을 계산해야 한다. 인공위성의 경우, 1,000만개 점으로 만든 3D CG를 줄 무늬 모양으로 만들어 1억 화소에 기록했다.

CG 데이터를 줄 무늬 모양으로 변환하는 데는 방대한 계산 양이 필요하다. 길이 1m의 고정밀 3D영상장치를 만들려면, ”1초에 제타(Zetta) 스케일의 계산이 가능한 컴퓨터가 필요하다”(이토 교수). 컴퓨터의 능력이 제타 스케일이 되는 것은 10~20년 후가 될 것으로 전망되지만, 3D영상장치에만 응용한다면 비용이 커진다.

홀로그래피의 원리를 응용한 3D영상장치는 다양한 방법으로 연구가 추진되고 있다. 예를 들어, 디지털로 줄 무늬 모양을 표현하는 방법을 개발, 또는 3D영상을 찍는 디스플레이를 개발하는 연구팀도 있다. 지바대학은 자체적으로 소프트웨어와 하드웨어를 모두 만든다는 점이 강점이다.

지바대학 연구팀은 3D영상장치용 고속 계산기 ‘호른8’을 개발했다. 연구팀이 개발한 기존의 계산기에 비해 계산 속도가 5배 향상된 것이다. 인공위성의 경우 1장 당 125초 만에 줄 무늬를 계산할 수 있다.

-- 저 소비전력 실현 --
호른8은 제조 후에 회로 변경이 가능한 ‘FPGA’라는 집적 회로(칩)를 이용했다. 일반 칩에 비해 저 소비전력으로 가동되는 것이 특징이다. 1장의 보드 위에 8개의 칩을 탑재. 보드 1장 당 250메가헤르츠(㎒)로 가동된다. 연구팀은 이 보드를 8장 병렬해 계산 속도 향상을 확인했다.

CG를 통해 줄 무늬 모양을 계산하는 방법은 2가지가 있다. 실용화되는 것은 계산은 복잡하지만 화질이 깨끗한 ‘위상형(位相形)’이라는 방법이 이용될 전망이다.

3D영상장치 실현하기 위해서는 지금보다도 작은 1마이크로미터(㎛) 정도의 화소도 필요하다. 현재의 최첨단 화소는 약 3.5㎛이지만, 기술적으로는 달성 가능하다고 한다.

1㎛의 화소를 가로 세로로 1만개 나열하면 1억화소, 크기 1cm 길이의 화면이 된다. 1cm 화면 뒷면에 칩을 부착하면 3D영상장치가 실현될 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다. 5~10년 후에 호른8을 통해 개발한 보드를 1개의 칩으로 만들어 장치의 실용화를 목표로 한다.

▶ 홀로그래피 등에 관한 연구 개발 동향
1947년: 영국 과학자 가보르가 홀로그래피를 개발. 후에 노벨 물리학상 수상
1960년: 레이저 발명. 레이저 홀로그램이 탄생
1968년: 미국 과학자 벤톤이 자연광으로 3D영상을 재생할 수 있는 홀로그램 개발
1979년: 히타치의 도노무라(外村) 등이 홀로그래피를 이용한 전자 현미경 실용화
1990년: 전자 디바이스를 통해 최초의 동영상 홀로그래피 데모 재생
2008년: 총무성, “2025년까지 입체 TV를 실용화한다”라고 발표
2010년경: 안경형 3D TV의 실용화 잇따라
2030년경: 육안으로 입체 영상을 볼 수 있는 3D영상장치 실용화

안경형 보급되지 않아
깊이 재현 어려워

입체적인 영상을 보기 위해서는 안경을 착용하는 방법과 육안으로 보는 방법이 있다. 안경 타입은 ‘아나글리프(Anaglyph)라고 하는 좌우가 빨간색과 청색 필터로 만들어진 것과 3D영상 등에 이용되는 ‘편향 안경’ 등이 있다. 2010년 전후에 안경을 착용하면 3D로 보이는 TV가 잇따라 개발되었지만 보급되지 않고 시장에서 자취를 감췄다.

3D TV는 깊이에 대한 정보를 정확하게 재현하지 못하기 때문에 멀미가 나기도 해 장시간 사용 및 어린이의 이용이 어려웠다. 반면, 홀로그래피 타입은 신체에 대한 부담이 적다고 알려져 있다. 실현된다면 영화와 유원지 등 엔터테인먼트 목적뿐만 아니라, 광고 수단으로도 용도가 확대될 가능성이 있다.

국내에서는 정보통신연구기구와 니혼(日本)대학, 간사이(関西)대학 등도 홀로그래피의 3D영상장치에 관한 연구를 추진하고 있다. 정보통신연구기구는 2016년에 전용 스크린과 투영기로 3D영상을 재현하는 기술을 개발했다.

홀로그래피는 3D 계측 기술로도 유용하다고 한다. 제품 검사의 자동화와 제트 기류 등 공기의 흐름 측정에 이용할 수 있을 것으로 보인다. 계산의 고속화와 센서 등 기록 소자의 고정밀화가 실현의 열쇠가 될 전망이다.

 -- 끝 --