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스마트폰으로 3D 홀로그램 구현! “실물 같은 메타버스 곧 만난다”
- 등록일 : 21-11-29
- 조회수 : 1624
박민철·황도경 박사, 편광 필터 없는 편광 이미지 센서 개발
단순 촬영으로 '3D 디지털 홀로그램 이미지' 구현
후속 연구 통해 홀로그래픽 카메라 센서 모듈 전체 소형화 기대
2016년 한 연구실. 선배과학자가 두 연구자를 불렀다. 반도체 시스템을 연구하는 과학자 황도경 박사와 반도체 시각화 기술을 연구하는 박민철 박사다.
두 과학자는 만나자마자 "왜 선배가 불렀는지 직감이 왔다"고 했다. 황 박사가 연구개발한 반도체 원천기초연구성과를 기반으로 박 박사가 시스템 연구를 해 대중에게 와닿고 필요한 연구를 함께 하라는 의도를 읽은 것이다.
두 연구자는 그날 이후 융합연구를 시작했다. 2017년에는 나노물질을 이용해 이미지센서 픽셀을 구성하는 광다이오드 소자를 개발, 자외선부터 근적외선까지 빛을 감지하는데 성공했다. 개발한 이미지센서로 애니메이션 뽀로로 캐릭터를 이미지화하는데도 성공했다.
두 과학자는 최근 또 한 번 재밌는 성과를 냈다. 스마트폰 카메라로 3D 디지털 홀로그램을 촬영할 수 있는 소자개발이다. 3D 정보를 한 번에 촬영할 수 있는 카메라의 등장은 스타워즈나 아이언맨 등 SF영화에서 볼 수 있었던 3D 홀로그램 시대를 기대하게 한다. 곧 다가올 메타버스 세계로 나를 닮은 캐릭터, 우리집 애완동물 등 현실 이미지 손쉽게 이동할 수 있을 것으로 보인다.
"예를 들어볼게요. 광각렌즈로 사물을 촬영하면 원하는 피사체만 또렷하게 나오고 뒷배경은 뿌옇게 나오죠. 한 번 촬영된 영상의 초점을 바꿀 수 없는게 현실입니다. 하지만 우리가 만든 소자로 구현한 이미지센서는 촬영 후 영상의 초점을 마음대로 바꿀 수 있습니다. 한 번에 3차원 이미지를 얻는 거죠. 홀로그램과 같은 3차원 이미지를 만드는 것이 앞으로 더 쉬워질 겁니다."(박민철 박사)
우리가 잘 아는 3D 홀로그램은 3차원 이미지를 저장해 조합해야 하는 편광 필터가 포함된 특성상 특수한 카메라로 여러번 촬영해야 구현 가능했다. 장비도 크고 고가여서 대중이 촬영해 유동하는 것이 쉽지않다.
편광 필터란? 여러 방향으로 반사하는 보통 빛을 한 방향으로만 반사하는 빛으로 만들어 보내는 필터를 말한다. 햇빛이 강하게 내리비치는 날, 진열장에 전시된 옷들이 빛에 비쳐 보이지 않을 때 편광 필터를 장착하면 잘 보인다.
편광 필터 기능까지 갖는 카메라를 개발할 수는 없을까? 두 연구자는 추가적인 편광 필터 없이도 근적외선에서 빛의 편광을 감지할 수 있는 광다이오드 소자를 개발키로 했다. 광다이오드가 디지털카메라, 스마트폰 카메라 이미지 센서의 픽셀을 구성하는 필수 부품인 만큼 편광을 감지할 수 있는 기능을 추가해 3차원 이미지 등 다양한 정보를 담아보자는 것. 황도경 박사는 "편광을 감지할 수 있는 상용화된 반도체 광다이오드 사례는 보고가 없던 만큼 개인적으로도 큰 도전이었다"고 말했다.
편광 감지 광다이오드를 개발하기 위해 황 박사가 주목한 것은 2차원 반도체 물질이다. 연구진에 따르면 레늄(Re)계열의 2차원 반도체 물질은 기존 2차원 반도체와 달리 비대칭적 구조를 가져 편광된 빛이 어떤 방향으로 진동하는지에 따라 그 특성이 달라진다. 이 특성을 이용하면 기존 광다이오드 소자와 달리 빛의 편광을 직접 관찰할 수 있는 센서로 응용할 수 있다.
연구진은 근적외선(980nm) 영역에서 빛의 선형 편광 각도에 따른 광 흡수 차이를 보이는 n형 반도체인 레늄 디셀레나이드(ReSe2)와 편광에 따른 반응성 차이는 없지만, 성능이 뛰어난 p형 반도체인 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)을 적층해 편광 감지가 가능한 광다이오드 소자를 개발했다. 편광을 감지할 수 있는 새로운 광다이오드 반도체소자 개발에 성공한 것이다.
홀로그램 외에도 야간 투시, 바이오 등 다양한 활용 기대
편광감지소자가 개발됐다는 소식에 박민철 박사는 당장 황 박사를 찾았다. 오랫동안 홀로그램 연구를 하던 그를 흥분시킨 재밌는 소자였다. 여러 번의 시도 끝에 박 박사는 편광 특성을 기록할 수 있는 디지털 홀로그램 이미지 센서를 구현, 홀로그램 영상 획득에 성공했다.
박 박사에 따르면 개발한 소자는 자외선부터 근적외선까지 다양한 파장 영역에서 빛 감지 특성이 우수해 3차원 야간 투시, 자율주행, 바이오, 문화재분석 및 복원을 위한 근적외선 정보 획득 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
박 박사는 "혈관 모양을 입체적으로 촬영하는 것도 가능하다. 크고 무거운 장비로만 촬영이 가능했던 시스템들이 개발한 소자로 경박단소(輕薄短小)해질 것"이라며 "다양한 서비스들이 만들어질 것으로 기대된다"고 말했다.
3D 이미지를 간단하게 저장할 수 있는 만큼 최근 주목받는 메타버스에 실사 이미지를 손쉽게 만드는데도 도움이 될 것으로 기대된다.
박 박사는 "흑백에서 칼라로 영상 저장을 저장하는 기술이 발전했듯, 단순 촬영으로 3D 영상을 만들어내는 기술은 차세대 카메라 시스템으로 주목을 받게 될 것"이라며 "그만큼 많은 저장용량이 필요하겠지만 5G, 6G 기술의 개발과 함께 더욱 빠르게 기술이 개발될 수 있을 것"으로 기대했다.