‘홀로그램’이라는 단어를 들으면 무엇이 가장 먼저 떠오르시나요? 많은 분들이 영화 스타워즈를 떠올리실 텐데요. 3차원 공간 상에 표시되는 입체적인 영상을 모든 방향에서 생생하게 볼 수 있는 홀로그램 기술은 현실 세계를 재현하는 실감 미디어로 활용되고 있습니다.
이번 테크스토리에서는 실감 미디어를 넘어 우주 통신과 의료 분야에 활용되는 다양한 모습의 홀로그램에 대해 이야기해 보려 합니다.
홀로그램의 정의와 원리에 대하여
홀로그램(Hologram)은 그리스어 ‘Holos(완전한)’와 ‘Gramma(정보, 메시지)’의 합성어입니다. 1949년 물리학자 데니스 가보르가 처음 발견한 개념으로, 빛의 간섭과 회절을 이용해 평면에 3D 정보를 기록하고 재생하는 기술이죠.
홀로그램은 어떤 각도에서 봐도 입체감을 느낄 수 있습니다. 영화 스타워즈에서 레이아 공주가 홀로그램 메시지를 보내던 장면을 떠올려 보세요. 홀로그램 기술의 매력과 가능성을 아주 잘 보여준 장면입니다.
아쉽게도 아직 영화 장면과 같은 홀로그램을 현실에서는 실현하기 어렵습니다. 하루빨리 현실에서도 홀로그램 메시지를 보낼 수 있는 날이 오길 기대해 봅니다.
이렇게 미래의 발전 가능성이 높은 홀로그램은 총 3가지 기술로 구성되는데, 각 세부 내용은 다음과 같습니다.
- 카메라/스캔 기술: 3D 환경을 고해상도, 광학적 정확도로 촬영해 깊이와 위상 정보를 포함한 3D 이미지로 만들어내는 기술입니다.
- 데이터 처리 기술: 촬영한 영상을 화면에 출력하기 위해 디지털화하는 기술입니다. 이 과정에서 중복되는 시간과 공간 정보를 제거해, 데이터 처리 속도를 높여 빠르게 정밀한 이미지를 만들 수 있습니다.
- 디스플레이 기술: 촬영된 3D 정보를 화면에 출력하는 기술입니다. 고해상도와 광학적 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)를 통해 3D 공간에 입체적인 이미지를 만들어 냅니다.
그렇다면 홀로그램 기술의 원리는 무엇일까요?
홀로그램은 빛의 세기와 위상(물체 표면에서부터 필름까지 거리) 차에 대한 정보를 동시에 기록하고 재현해 빛의 3차원 분포를 현실에 있는 그대로 표현하는 원리로 볼 수 있습니다.
3D 정보를 기록하고 재생하는 방식은 아날로그와 디지털 홀로그램 2가지로 나뉘는데요.
먼저 아날로그 홀로그램은 2개의 레이저 광선을 하나는 반사경에, 하나는 피사체(물체)에 쏴서 반사경에 반사된 참조광과 피사체에 반사된 물체광이 겹쳐지면서 생기는 간섭무늬를 필름에 기록하고 저장합니다.
이렇게 저장된 정보에 참조광을 비추면 원래 피사체의 3D 이미지가 나타나게 됩니다.
참고) 아날로그 홀로그램 기술의 원리
아날로그 홀로그램 이미지는 품질이 매우 훌륭하지만, 정보를 필름에 기록하고 저장하기 때문에 여러 번 기록하기 어렵고 기록된 정보를 매번 바꿀 수 없다는 단점이 있습니다. 그리고 디지털화되지 않아서 화면을 통해 보여주기가 어렵습니다.
이러한 단점을 극복할 수 있는 것이 디지털 홀로그램입니다. 컴퓨터를 이용해 이미지를 재생하기 때문에 컴퓨터 생성 홀로그램(Computer Generated Hologram, CGH)이라고도 해요. 디지털 홀로그램은 빛의 진폭이나 위상 정보를 위치에 따라 변화시킬 수 있는 공간 광 변조기를 이용해 3차원 영상을 구현합니다.
간단하게 정리해 보자면, 피사체(물체)의 간섭무늬를 컴퓨터를 이용해 수학적으로 계산하여 만들고, 공간 광 변조기에 기록한 후 간섭성을 갖는 빛을 쏴 3D 영상을 보여주게 되는 것입니다.
참고) 디지털 홀로그램 기술의 원리
3D 영상의 시야각을 넓히고 화질을 좋게 만들기 위해서는 공간 광 변조기의 픽셀 크기를 줄이는 것이 중요합니다. 현재 사용되고 있는 공간 광 변조기의 픽셀 크기로는 충분한 시야각의 화질이 좋은 3차원의 영상을 보여 주기에는 부족한 상황이에요.
이처럼 현재 홀로그램 기술은 실감 미디어 분야에서 기대한 만큼의 성과를 거두지 못하고 있습니다. 하지만 우주 통신, 의료 분야에 적극 활용되며 의미 있는 성과를 보여주고 있는데요. 두 분야에서 홀로그램 기술이 어떻게 활용되고 있는지 알려 드릴게요!
홀로그램으로 우주에서도 인터넷을?
지난해 말 나사(NASA)가 우주에서 지구로 고양이 영상을 전송해 화제가 되었습니다. 지구로부터 약 3천만 km 떨어진 우주에서 실시간으로 중계된 최초의 고화질 영상이었죠. 나사가 해당 영상의 실시간 중계를 위해 사용한 기술은 ‘심우주 광통신 기술(Deep Space Optical Communications, DSOC)’라고 불리는데요. 이 기술을 이용한 레이저 통신을 통해 기존보다 최대 100배 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있으며, 우주와 지구 간의 실시간 소통이 가능해진 것입니다. 또한 보안성이 뛰어나고, 국제 전기 통신 연합의 주파수 규제도 받지 않는다는 장점이 있습니다.
최근에는 스페이스X, 아마존, 텔레샛, 원웹 등의 기업이 홀로그램을 이용한 레이저 통신으로 우주 인터넷 서비스 제공을 목표로 한 프로젝트를 진행하고 있습니다.
우주에서 레이저 통신을 활용할 때, 홀로그램 영상 재생에 사용되는 공간 광 변조기는 파장 선택 스위치(Wavelength Selective Switch, WSS) 및 자유공간 광 통신(Free-Space Optics, FSO) 기술과 밀접하게 연관되어 중요한 역할을 합니다. 파장 선택 스위치 기술은 다양한 파장의 레이저를 선택적으로 제어하여 동시에 데이터 처리할 수 있게 해요.
여기서 공간 광 변조기는 공간적으로 변조된 빛 신호를 조정하여 여러 파장을 동시에 활용함으로써 대역폭을 효율적으로 사용하고, 광학적 손실을 최소화하여 먼 거리에서도 빠른 속도로 데이터를 전송하면서 보안성을 높이죠. 자유공간 광 통신 기술에서는 레이저 빔의 위상과 강도를 정밀하게 조절하기 위해 공간 광 변조기가 사용됩니다. 공간 광 변조기를 통해 신호를 정확하게 조향하고, 우주와 우주, 우주와 지구 간의 통신을 원활하게 만드는 거죠.
또한 홀로그램에서 사용하는 일관성 레이저(Coherent laser)는 전파 기반 우주 통신보다 최대 100배 빠른 속도로 많은 데이터를 전송할 수 있게 합니다. 나사(NASA)의 통합 LCRD 저궤도 사용자 모뎀 및 증폭기 터미널(ILLUMA-T) 프로젝트는 레이저 통신을 통해 1.2Gbps 전송 속도를 달성했죠.
이 속도는 약 40GB의 넷플릭스 4K 영화 한 편을 약 3분 안에 지구에서 우주로 전송하고, 심우주 탐사에서는 실시간 데이터 전송과 고해상도 영상을 송수신할 수 있는 속도입니다.
우주와 지구 간 데이터 전송 속도가 이렇게 빠르다니, 놀랍지 않나요?
레이저 통신과 심우주 통신망까지, 기존의 전파 기반의 우주 통신을 대신하여 우주와 지구 간 더 빠르고 안전한 데이터 전송이 가능할 것으로 보입니다.
이렇게 홀로그램에서 사용하는 일관성 레이저 전파도 우주 통신 시스템 개발에 적용되고 있는데요. 일관성 레이저가 많은 양의 데이터를 빠른 속도로 전송할 수 있게 하니, 앞으로 더 우주 탐사 발전에 가속도가 붙지 않을까요?
난치병 치료의 새로운 희망, 홀로그램!
홀로그램은 의료 분야에서도 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 홀로그램을 통해 살아있는 세포의 정밀한 3D 이미지 처리를 가능하게 하면서, 질병 진단과 연구에 획기적인 도구로 활용되고 있기 때문이죠. 예를 들면, 홀로그램 현미경은 빛의 간섭 효과를 이용해 살아있는 세포의 3D 구조를 고해상도로 관찰할 수 있게 합니다. 형광 염색 등 전처리 과정이 없기 때문에, 살아있는 세포를 직접 관찰할 수 있는 것이 가장 큰 장점이죠.
지난해 6월, 정부는 오가노이드(Organoid)를 국가 첨단 전략기술로 지정했습니다. 오가노이드는 세포를 3D로 배양하여 실제 장기처럼 만든 장기 유사체로, 동물 실험을 대체하거나 손상된 장기 등에 이식해 재생을 돕는 데 사용됩니다. 홀로그램 현미경은 최대 150 ㎛ 두께의 오가노이드를 전처리 과정 없이 관찰할 수 있고, 세포 내부 구조를 명확히 구분할 수 있습니다.
이를 통해 핵, 미토콘드리아, 소포체 등을 식별하고, 인공지능(AI)과 결합하면 세포 분석과 세포 종류 구분을 자동화할 수 있어요. 참 편리하겠죠? 홀로그램 현미경의 원리는 우리 인체 내부를 촬영하는 CT와 비슷합니다.
CT가 수백 장의 고해상도 평면 X선 영상으로 나눠 찍어 인체 내부를 입체적으로 보여주듯이, 홀로그램 현미경은 레이저를 이용해 세포 및 조직의 3D 이미지를 만들어내죠.
오늘날 의료 분야에서 홀로그램의 기술적 발전은 앞으로가 더욱 기대되는데요. 의생명공학의 연구를 변화시키고, 난치병 진단과 치료에 새로운 방법을 제시하며 미래 의료 발전에 크게 기여할 것으로 전망됩니다.
홀로그램 기술로 새로운 통신 시대를!
지금까지 홀로그램 기술이 우주 통신과 의료 분야에서 어떻게 활용되고 있는지, 우리의 일상을 어떻게 바꾸어 놓게 될지 그 가능성에 대해 알아봤습니다.
리서치 기업 ‘가트너’는 ‘2028년까지 광대역 우주 인터넷 기술이 빠르게 성장하여 레이저 통신을 통해 우주와 우주, 우주와 지구 간 초고속, 저지연 통신이 가능해질 것’이라고 밝혔는데요. 스마트폰에 광대역 위성 서비스 제공이 가능해지면서 기존 통신의 패러다임 변화도 기대해 볼 만합니다.
실감 미디어를 넘어 우주 통신과 의료 분야에 적용되며, 중요한 역할을 수행하고 있는 홀로그램은 여전히 많은 한계를 가지고 있습니다. 하지만 지금까지의 발전과 앞으로의 가능성을 봤을 때, 우리의 일상과 산업에 실질적인 변화를 불러올 중요한 기술임이 분명합니다.
진화하는 홀로그램 기술이 바꾸어 놓을 미래, 관심 있게 지켜봐 주세요!
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