- 최상의 3D 화상 기술인 홀로그래피로 동영상을 재생하는 재료 개발은 과제 / 리얼타임에 화상 정보를 기록?재생이 가능한 홀로그램 재료를 세계에서 처음으로 개발 / 입체 TV, 광 컴퓨터용 소자, 엔터테인먼트에서의 이용이 기대 -

일본 과학기술 진흥 기구(이하, JST) 과제 달성형 기초 연구의 일환으로서 아오야마(Aoyama) 학원 대학 이공학부 화학?생명과학과 연구 그룹은 리얼타임으로 물체의 3차원 정보를 기록?재생하는 것이 가능한 새로운 홀로그램 재료의 개발에 성공하였다.

홀로그래피(주 1)는 공간에 자연스러운 3D 화상을 만들어낼 수 있는 기술로, 크레디트 카드나 지폐인식의 빛나는 부분 등에서 사용되고 있다. 그곳에서는 화상이나 숫자가 입체적으로 비치고 있다. 하지만 실제로는 화상이나 숫자 그 자체가 아니고 3차원 정보가 암호화되어 홀로그램(주 2)이라는 재료에 기록되고 있다. 홀로그램에 빛을 조사하면 암호화된 물체의 3D 화상이 보인다. 지금까지는 전시나 아트 작품에, 또 복사기에서는 복제할 수 없는 점을 이용하여 위조 방지 등에 사용되고 있었다. 리얼타임으로 암호를 기록?재생할 수 있는 홀로그램 재료가 개발되면 3D 화상의 동영상을 재생할 수 있는 3D TV의 개발이 실현되기 때문에 새로운 홀로그램 재료의 개발이 요구되고 있었다.

본 연구 그룹은 빛을 조사하면 순간에 착색하고 빛을 차단하면 신속하게 무색으로 돌아오는 독자적으로 개발한 고속 광변색성 물질(photochromic) 화합물(주 3)을 응용하여 암호를 리얼타임에 기록?재생할 수 있는 홀로그램 재료의 개발에 성공하였다. 이 홀로그램 재료에서는 물체의 움직임에 따라 오래된 암호가 소실되고 새로운 암호가 새롭게 리얼타임에 기록되기 때문에 3D 영상을 재생할 수 있다.

이번에 개발한 홀로그램 재료는 대면적 스크린으로 하는 것도 가능하고 향후에는 새로운 타입의 3D 영상 표시 시스템을 비롯하여 광 컴퓨터 소자, 엔터테인먼트에서의 이용이 기대된다.

JST는 이 영역에서 분자 레벨에 있어서의 정밀한 나노 구조·기능을 매크로 레벨의 재료의 구조, 기능에 연결하는 방책을 찾아 보텀 업 프로세스(bottom-up process)로만 달성되지 않는 특이한 구조·기능을 갖춘 자립한 고기능 나노 구조체를 창출하는 것을 목표로 하고 있다. 상기 연구과제는 혁신적 광변색성 물질 재료를 개발하는 것에 의해 세계를 선도하는 새로운 광 산업의 창출을 목표로 하고 있다.

연구의 배경과 경위로는 3D 원년이라고 하는 2010년부터 영화나 가정용 TV, 휴대전화나 게임기에 이르기까지 3D 디스플레이의 보급이 급속히 진행되어 왔다. 이에 따라 최근에는 `최상의 3D 영상 방식`이라고 부르는 홀로그래피(<참고자료 1> (상))에 주목을 하고 있다. 홀로그래피의 특징은 입체물에 반사하여 실제로 눈에 들어올 때의 빛의 강도와 방향을 충실히 재현하는 것으로 눈에 부드러운 자연스러운 입체상을 만들어 낼 수 있다. 홀로그래피에 의한 3D 화상을 리얼타임에 기록?재생하는 기술을 확립할 수 있으면 3D TV로서의 용도뿐만 아니라 광 컴퓨터용 소자, 엔터테인먼트로의 이용이 기대된다.

그러나 실현을 위해서는 암호인 간섭무늬(주 4)를 리얼타임으로 기록?재생할 수 있는 완전히 새로운 재료가 필요하게 된다. 본 연구 그룹은 빛을 조사했을 때만 착색하는 `고속 광변색성 물질 화합물`을 2009년 세계에서 최초로 개발하였다. 이번은 이러한 고속 광변색성 물질 화합물을 응용하는 것으로 리얼타임으로 물체의 3차원 정보를 기록?재생할 수 있는 획기적인 홀로그램 재료를 개발하는 것에 성공하였다.

본 연구는 연구 그룹이 개발한 고속 광변색성 물질 화합물(<참고자료 1> (하))을 응용하는 것으로써 물체의 3차원 정보를 나타내는 빛의 명암무늬인 간섭무늬를 색변화나 굴절률 변화의 무늬로서 기록할 수 있는 홀로그램 재료를 개발하였다. 고속 광변색성 물질 화합물을 아크릴계 폴리머에 혼합하는 것으로 광 조사에 의해 순간적으로 착색되고 빛을 차단하면 신속하게 무색이 되는 필름 상의 홀로그램 재료를 개발하였다. 이 홀로그램 재료에 간섭무늬를 투영하면 빛의 명암에 따라 부분적인 착색이 일어난다. 즉, 간섭무늬의 밝은 부분에서는 착색하지만 어두운 부분의 색은 변하지 않는다. 이와 같이 간섭무늬의 빛의 명암 패턴은 색 패턴으로서 홀로그램 재료에 기록된다.

한편 고속 광변색성 물질 화합물은 광 조사를 차단하면 신속하게 무색으로 돌아오기 때문에 물체가 움직여 간섭무늬가 변하면 새롭게 밝아진 부분은 착색한 채로 유지하지만 어두워진 부분은 신속하게 무색으로 돌아온다. 이러한 색변화에 의해 오래된 간섭무늬의 정보는 사라지고 새로운 간섭무늬의 정보가 기록된다. 즉, 간섭무늬는 홀로그램 재료 상에 주기적인 색변화나 굴절률 변화의 패턴으로서 리얼타임에 기록된다(<참고자료 2> (상)). 물체가 움직여 3차원 정보가 시시각각 변하는 경우에는 간섭무늬도 거기에 맞추어 변하기 때문에 홀로그램에 재생 조명광(주 5)을 조사하면 물체의 3D 영상이 펼쳐진다.

간섭무늬의 패턴이 기록된 홀로그램은 회절격자(주 6)의 성질을 가지고 있기 때문에 홀로그램에 빛을 조사하여 회절되는 빛의 강도(회절광 강도)를 측정하면 홀로그램에 기록된 화상 정보의 기록 속도와 소거 속도를 알 수 있다. 기록되는 빛을 홀로그램 재료에 조사하면 신속하게 회절광이 관측되어 광 조사를 시작하고 나서 약 300밀리세컨드로 일정한 값이 되었다(<참고자료 2> (하)).

한편 기록광의 조사를 멈추면 100밀리세컨드 이내에서 회절광 강도는 제로가 되어 기록이 완전하게 소실된 것을 나타내 보이고 있다. 즉, 오래된 화상 정보가 완전하게 소거되고 나서 새로운 화상 정보를 기록하는 프로세스는 최단(最短) 100밀리세컨드 정도로 실시될 수 있는 것을 의미하고 있다. 이것은 매초 10프레임 정도로 화상 갱신이 가능한 것을 의미하고 있다. 그리고 이러한 고속의 회절격자의 생성?소실은 고속 광변색성 물질 화합물이 광 조사에 의해 착색되고 조사를 멈추면 무색으로 돌아오는 것에 기인하는 것을 알았다(<참고자료 3> (상)).

실제로 2차원 화상으로서 숫자의 패턴이 기록된 포토마스크(photomask)를 이용하여 움직이고 있는 2차원 화상의 리얼타임?홀로그래피 실험을 시도하였다. 그 결과 재생된 홀로그램 화상이 포토마스크의 움직임에 연동되어 움직이는 것이 확인되어 본 홀로그램 재료를 이용해 2차원 화상을 리얼타임에 기록하면서 홀로그램 화상을 연속적으로 재생하는 것에 세계에서 처음으로 성공하였다(<참고자료 3> (하)).

이 홀로그램 재료에는 기록에 이용한 빛의 파장과는 다른 파장의 빛을 조사하거나 가열하거나 하지 않고 실온에서 기록광을 오프로 하는 것만으로 기록을 고속 소거할 수가 있다. 즉 1개의 파장의 빛만으로 간섭무늬를 기록?소거할 수 있는 점으로 기존의 홀로그램 재료와는 다른 완전히 새로운 홀로그램 재료라고 할 수 있다. 그리고 개발한 홀로그램 재료는 간섭무늬를 기록하기 위해서 전압을 가할 필요가 없고 대면적의 필름을 간편하게 제작할 수 있는 점도 있어 상당히 범용성이 높은 홀로그램 재료라고 할 수 있다.

본 연구에 있어서 새롭게 개발한 홀로그램 재료를 이용하는 것으로 움직이고 있는 2차원 화상의 홀로그램 동영상을 실현할 수 있었다. 그러나 3차원 물체의 실험에서는 실험에서 이용한 기록용 레이저광의 강도가 약하기 때문에 명료한 홀로그램 상을 볼 수 없었다. 향후에는 시판되고 있는 고강도의 레이저를 홀로그램의 기록광에 사용하는 것으로 본 홀로그램 재료를 이용한 3차원 물체의 리얼타임?홀로그램 기록과 그 홀로그램에 재생 조명광을 조사하는 것으로 3D 화상의 동영상 재생을 실시한다. 또한 홀로그램 재료 감도나 소색(消色) 속도라고 하는 성능을 향상시키는 것으로 실용화 레벨의 고성능 홀로그램 재료의 개발을 목표로 한다. 그리고 대면적 홀로그램 필름의 개발을 실시하는 것과 동시에 새로운 용도도 개발할 것이라고 한다.

한편 새로운 타입의 3D 영상 표시 시스템의 개발을 목표로 하여 3차원 물체의 정보가 기록된 간섭무늬 또는 컴퓨터로 합성된 간섭무늬를 홀로그램 재료에 연속하여 투영하는 것으로 3D 화상의 동영상 재생을 실시하는 수법에 관해서도 연구를 추진할 예정이라고 한다.

(주 1) 홀로그래피
빛이 물체에 해당되어 반사하면 빛의 물결이 어긋나지만 이러한 현상을 이용하여 입체상을 기록?재생하는 기술로 구체적으로는 간섭성이 있는 레이저광을 2개로 나눈 후 한쪽을 물체에 반사시켜(물체광), 다른 한쪽의 빛(참조광)과 다시 겹쳐 합했을 때 빛이 서로서로 강하거나 약하게 하는 것으로 빛의 명암의 줄무늬(간섭무늬)가 생긴다. 이 간섭무늬에는 물체의 밝기에 관한 정보와 빛이 어느 방향에서 왔는지라는 정보가 포함되어 있다. 물체의 3차원 정보를 간섭무늬로서 매체에 기록한 후 그 매체에 재생 조명광을 조사하는 것으로 3D 화상이 나온다. 사진에서는 반사광이 평면에 기록될 뿐이지만 홀로그래피는 물체의 입체 형상의 정보까지 기록할 수 있다.
(주 2) 홀로그램
홀로그래피로 물체의 3차원 정보나 위치 정보를 포함한 간섭무늬가 기록된 매체.
(주 3) 고속 광변색성 물질 화합물(재료)
빛을 조사하면 형태가 다른 2종류의 화합물을 가역적으로 생기는 현상을 광변색성이라고 한다. 예를 들면 A자형의 구조의 화합물에 자외선을 조사하면 Λ자형 구조의 화합물로 바뀌고 Λ자형의 구조의 화합물은 가시광선이나 열에 의해 원래의 A자형 구조의 화합물로 돌아오는 현상이다. 이 A자형 구조의 화합물과 Λ자형 구조의 화합물은 색이나 굴절률 등의 성질이 다르기 때문에 빛의 작용으로 물질의 성질을 바꿀 수 있다. 광변색성을 나타내는 화합물(재료)을 광변색성 물질 화합물(재료)이라고 한다. 빛을 조사함으로써 A자형에서 Λ자형으로 변하고 빛을 차단하면 신속하게 원래의 A자형으로 돌아오는 현상을 고속 광변색성이라고 하며 이러한 성질을 가지고 있는 화합물(재료)을 고속 광변색성 물질 화합물(재료)이라고 한다.
(주 4) 간섭무늬
같은 파장을 가지는 두 가지 물결의 중합으로 일치하도록 서로 겹치면 구배가 2배의 물결이 된다. 한편 서로 일치하도록 겹치면 물결의 높이는 제로가 된다. 이와 같이 2개의 물결이 서로 겹치고 서로 강하게 하거나 약하게 되는 현상을 간섭이라고 한다. 빛은 물결로서의 성질을 가지지만 빛의 간섭에 의해 할 수 있는 명암의 줄무늬를 간섭무늬라고 한다.
(주 5) 재생 조명광
홀로그램으로부터 입체상을 떠오르게 하기 위해서 조사하는 빛.
(주 6) 회절격자
빛의 회절 현상을 이용하여 스펙트럼을 얻는 소자로, 예를 들면 유리 기판에 다수의 도랑을 새기면 도랑 사이의 매끄러운 면에서 반사되는 광선 사이의 간섭으로 회절이 일어난다. 재질이 주기적으로 다른 경우에도 회절이 일어난다.

<참고자료 1> (상) 홀로그래피의 원리(물체광과 참조광을 홀로그램 상에서 겹쳐 맞추면 빛의 명암의 줄무늬(간섭무늬)가 생긴다. 물체의 3차원 정보를 간섭무늬로서 매체에 기록한 후 그 매체에 재생 조명광을 조사하는 것으로 3D 화상이 나타난다. / (하) 본 연구에서 이용한 고속 광변색성 물질 화합물과 색변화
<참고자료 2> (상) 고속 광변색성 물질 화합물을 응용한 간섭무늬의 고속 기록?소거 / (하) 기록광의 온?오프에 수반하는 회절 효율의 변화
기록광을 조사하는 것으로, 홀로그램에 간섭무늬가 기록되어 회절격자가 형성되기 위해서 회절광을 관측할 수 있게 됩니다. 기록광의 조사를 멈추면 회절격자가 소실해, 회절광을 볼 수 없게 된다.
<참고자료 3> (상) 회절광 강도와 착색체 농도의 비교 / (하) 스크린 상에 투영된 포토마스크(photomask)의 홀로그램 화상의 리얼타임 변화