지난 1편에서는 3D 디스플레이의 개념과 입체감을 느끼는 원리 그리고 3D 디스플레이의 종류를 알아보았습니다. 이번 편에서는 3D 디스플레이의 기술별 세부 원리에 대해 알아보겠습니다.

☞1편 다시 보기: [디스플레이 심층 탐구] 3D 디스플레이 기술 원리 ①

Light Field Display (라이트 필드 디스플레이)

Light Field Display(라이트 필드 디스플레이)는 평면 디스플레이와 광학 소자에 의해 공간상의 빛의 벡터 분포(세기, 방향)로 표현되는 Light Field(라이트 필드)를 생성하여 입체 영상을 만들어 내는 3D 디스플레이입니다.

※ Light Field(라이트 필드): 3차원 공간상의 모든 점에서 빛의 진행 방향과 세기를 나타내는 5차원 (x, y, z, θ, φ). 벡터함수. 전기장(Electric Field), 자기장(Magnetic Field) 등의 개념과 비슷한 일종의 빛의 장(Field)의 개념.

어느 방향에서 보더라도 같은 정보를 표현하는 2D 디스플레이와 달리 Light Field Display는 보는 방향에 따라 다른 정보가 표현되는 것이 가장 큰 차이라고 할 수 있습니다. Light Field Display는 사물의 깊이와 옆면 등을 볼 수 있어 보다 자연스러운 입체 영상 구현이 가능하여 AR(증강현실) 기술 등과의 융합으로 다양한 활용이 기대되는 디스플레이 기술입니다.

▲ Light Field를 만들어내는 다양한 방법

Light Field는 다양한 방식으로 구현할 수 있습니다. 여러 대의 프로젝터를 사용해 여러 방향의 Light Field를 만드는 방법, 회절 격자(Grating)를 이용해 빛의 방향을 제어하는 방법, 2개 이상의 패널을 사용해 각 픽셀의 조합에 따른 빛의 방향과 세기(휘도)를 조절하는 방법, 핀홀(Pinhole) 또는 배리어(Barrier)를 사용해 빛의 방향을 제어하는 방법, 마이크로렌즈 어레이(배열)를 통해 빛의 굴절 방향을 제어하는 방법 등입니다.

▲ 마이크로렌즈 어레이 방식 Light Field Display의 원리

대표적 기술인 마이크로렌즈 어레이 방식을 통해 살펴보면, 각각의 마이크로렌즈에는 일련의 디스플레이 픽셀이 할당되고, 각 픽셀로부터 나온 빛은 렌즈에 의해 특정 방향으로만 진행하게 되어 빛의 세기와 방향으로 표현되는 Light Field를 형성하게 됩니다. 이렇게 형성된 Light Field 내에서 디스플레이를 바라보게 되면 사용자는 입체감을 느낄 수 있게 됩니다. 보다 부드럽고 섬세한 입체 영상을 표현하기 위해서는 높은 픽셀 밀도의 디스플레이 패널이 필요합니다. 그리고 디스플레이 픽셀의 빛을 원하는 방향으로 보내 줄 수 있는 정밀한 렌즈 어레이(배열) 및 렌즈와 패널의 접합과 정렬을 포함한 정밀 모듈 기술, 각 방향에 맞게 입체 이미지 정보를 픽셀에 재배치해 주는 이미지 처리 기술이 필요합니다.

Hologram (홀로그램)

Hologram 기술은 빛의 회절 효과를 이용, 파면을 재현하여 영상을 만들어 내는 기술로서 Dennis Gabor에 의해 최초로 그 개념이 제안되었습니다. 크게 Analog hologram과 Digital hologram으로 나뉩니다.

▲ Analog Hologram

▲ Digital Hologram

Analog hologram은 빛을 두 개의 경로로 분리한 후, 피사체에 직접 비춰져 반사된 물체광과 거울에 반사된 기준광이 서로 간섭하여 만들어진 무늬를 감광 물질이 있는 사진 건판에 기록하고, 간섭 패턴이 기록된 사진 건판에 동일한 기준광을 비추게 되면 피사체의 이미지가 재생되어 홀로그램 영상을 볼 수 있게 되는 원리입니다. 이때 사용되는 빛은 간섭이 일어나야 되므로 가간섭성(Coherence: 진동수가 같고 위상차가 일정하게 유지되어 간섭이 일어날 수 있는 특성)을 갖는 레이저 광선을 주로 사용하게 됩니다. Analog hologram 이미지는 매우 훌륭한 품질을 나타내지만 사진 건판에 기록된 정보를 매번 바꿀 수 없기 때문에 실제 디스플레이로의 적용은 어렵습니다.

이러한 단점을 극복할 수 있는 Digital hologram 기술은 컴퓨터를 이용해 이미지를 재생하기 때문에 Computer Generated Hologram(CGH) 이라고도 합니다. Digital hologram은 사진 건판 대신 빛의 진폭이나 위상을 제어할 수 있는 SLM(Spatial Light Modulator: 공간광변조기)을 이용하여 입체 영상을 구현합니다. 이 방식은 표시하고자 하는 3D 객체의 간섭 패턴 이미지를 컴퓨터를 이용 수학적으로 계산하여 만들고 SLM에 기록한 후 가간섭성을 갖는 빛을 쏴 hologram 이미지를 재생합니다.

SLM은 픽셀의 정보를 연속적으로 변경할 수 있어 정지 영상뿐 아니라 동영상 구현도 가능합니다. 대표적인 SLM으로는 우리가 잘 아는 LCD가 있습니다. 액정 분자의 제어를 통해 빛의 위상 또는 세기 정보를 조절할 수 있습니다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 Analog hologram 방식에 비해 아직 해상도가 낮으며 시야각이 좁다는 단점이 있습니다.

Volumetric Display (볼류메트릭 디스플레이)

Volumetric Display는 3차원 공간상에 직접적으로 영상을 형성하는 기술로 공간상의 픽셀인 복셀(Voxel: Volumetric pixel)을 이용해 물리적인 3차원 공간에 입체 영상을 만드는 방식입니다. 대표적으로 스크린 운동식, 플라즈마 발광식, 가변초점방식과 최근에 제안된 입자 Trap 방식 등이 있습니다.

▲ 스크린 운동식 Volumetric Display

스크린 운동식은 스크린을 고속으로 회전 또는 왕복 운동시키고 운동 속도에 동기된 3D 객체의 단면 이미지들을 연속적으로 투사시켜 잔상 효과에 의해 입체 영상을 볼 수 있게 하는 방식입니다.

▲ 플라즈마 발광식 Volumetric Display

플라즈마 발광식은 고출력 레이저를 공간상의 한점에 집광시켜 주위 공기를 플라즈마화 하여 빛을 발생시키고 고속 스캔을 통해 공간상에 다수의 발광 점들을 구성하여 입체 영상을 만듭니다.

▲ 가변 초점식 Volumetric Display

가변초점방식은 초점이 변하는 렌즈를 통해 영상의 초점 거리를 고속으로 변화시켜 공간상의 서로 다른 위치에 초점을 맺는 복셀을 형성시킴으로써 입체 영상을 구현하는 방식입니다.

▲ 입자 Trap 방식 Volumetric Display

입자 Trap 방식은 가장 최근에 제안된 방식으로서 레이저의 Photophoretic trap 효과를 이용해 매우 가볍고 작은 입자를 레이저로 가둔 후 움직여, 입자의 움직임에 맞게 외부 광을 조사하여 산란되는 빛의 잔상 효과로 공간상에 입체 영상을 형성시키는 방식입니다. 레이저 광이 아닌 초음파를 이용한 입자 Trap 방식도 최근 소개되었습니다. Volumetric Display는 시야각의 제한이 없고 어지러움이 없는 자연스러운 입체 영상을 제공하는 장점이 있지만, 공간상의 제약, 소음 등의 한계를 가지고 있습니다.

▲ 삼성디스플레이 AR Light Field Display 시연

삼성디스플레이는 우수한 OLED 패널의 특징을 활용해 현재의 스마트폰에서도 입체 영상을 볼 수 있는 Mobile Light Field Display와 증강 현실과 접목한 AR Light Field Display 기술 등 다양한 Light Field Display를 전시회에서 선보인 바 있습니다. 향후 3D 디스플레이 기술의 완성도가 더욱 높아질수록 보다 사실적이고 자연스러운 고화질의 입체영상을 감상할 수 있을 것으로 기대합니다.