레이저 1/1000조 초 단위로 쏘는 플라스마 디스플레이 개발
화상 입지 않고 안전해 ‘영화처럼’…크기 최대1㎤로 작아 ‘흠’
공중 플라스마 디스플레이로 만든 팅커벨 입체 영상. digitalnature 연구실 제공
미래 사회를 배경으로 한 공상과학영화에서 단골로 등장하는 장면 중에 스크린이 따로 없는 공중 입체 영상이 있습니다. 실물과 똑같은 입체 영상을 허공에 띄워 보여주는 기술입니다. SF영화의 새 장을 연 1977년작 <스타워즈>에서도 그런 장면이 나옵니다. 로봇 R2-D2가 피랍된 레이아 공주의 모습을 3차원 영상으로 띄워 구조 메시지를 전하는 장면입니다. 2008년 1편이 나온 이후 연작이 이어지고 있는 <아이언맨>에선 주인공 토니 스타크가 허공에 로봇 수트 입체영상을 띄워 놓고 마치 실제 수트와 똑같이 이리저리 확인하고 조작해보는 장면이 등장합니다. <스타 트렉>에선 홀로그램들이 아예 사람의 아바타와 같은 역할을 하기도 합니다.
하지만 아무리 첨단 기술이 발전했다 해도 실제 현실에서 그런 기술을 실현하는 것은 굉장히 어려운 일입니다. 2015년의 생활상을 그려 올해 다시 한번 화제가 되고 있는 1989년작 SF 코믹영화 <백 투 더 퓨처 2>의 한 장면을 볼까요. 2015년 미래에 도착한 주인공 마티 맥플라이가 상어 홀로그램이 자신을 향해 아가리를 벌린 채 달려드는 모습을 보고 소스라치게 놀랍니다. 하지만 2015년 세상은 아직 그 단계까지 이르지는 못했습니다.
영화 에서 죠스 홀로그램을 보고 화들짝 놀란 마티 맥플라이. 유튜브 화면 갈무리
현재로선 홀로그래픽 기술을 활용한 3차원 홀로그램이 이에 가까운 기술이라고 할 수 있습니다. 현재 공연 등에 활용되는 홀로그램은 빔 프로젝트에서 쏜 빛을 거울로 반사시켜 45도 각도의 투명 스크린에 투과시키는 방식으로 만들어집니다. 하지만 홀로그램은 기본적으로 일종의 착시 현상일 뿐, 실체가 있는 것은 아닙니다. 또 홀로그램을 구현하기 위해서는 입체감을 표현해 줄 수 있는 특정 각도를 유지해줘야 합니다.
최근에 나온 마이크로소프트의 홀로렌즈 같은 증강현실 시스템도 SF영화 속의 장면에 가까운 기술들이라 할 수 있겠습니다. 하지만 이 기술은 고글 같은 특수한 장치를 통해 들여다 봐야 하는 한계가 있습니다. 이것도 역시 실체가 없기는 마찬가지입니다.
마이크로소프트의 홀로렌즈 시연 장면. 마이크로소프트 제공
영화에서처럼 맨눈으로 어디에서 보든 완벽한 입체 영상을 구현해줄 수 있는 기술은 없을까요? 이런 기술을 구현하는 원리 자체는 이미 알려져 있습니다. 적외선 레이저로 공기 분자를 이온화해 플라스마(이온화한 기체) 상태를 만든 뒤, 이 플라스마가 빛을 내뿜도록 하면 됩니다. 그러면 플라스마가 공중에서 입체 이미지를 만들어내지요. 문제는 플라스마를 만들어 내려면 기체보다 높은 에너지가 필요하다는 것입니다. 이는 플라스마가 안전하지 않다는 뜻입니다. 플라스마에 사람 피부가 닿을 경우 화상을 입을 수 있기 때문입니다. 실제로 그동안 개발된 ‘공중 플라스마 디스플레이’들은 이 한계를 벗어나지 못했습니다. 아래 동영상을 보시면 진행자가 안전을 위해 가림막 뒤에서 플라스마 디스플레이를 감상하는 장면이 나옵니다.
공중 플라스마 디스플레이에서는 공기 분자가 3차원 픽셀(화소) 역할을 합니다. 이를 복셀(voxel)이라 부릅니다. 이 복셀은 적외선 레이저를 통해 공기 분자를 이온화한 것으로 푸른빛이 도는 흰색 입자입니다. 그런데 플라스마는 그 성질상 순식간에 반짝하고 사라집니다. 따라서 연속적인 디스플레이를 만들려면 레이저 빔을 아주 빠른 속도로 계속해서 쏴주어야 합니다. 움직이는 이미지 효과를 만들어내려면 초당 수만 또는 수십만번씩 빛을 쏘아줘야 합니다. 그러나 이렇게 방출되는 플라스마에는 여전히 많은 에너지가 들어 있습니다. 만약 이런 디스플레이를 휴대하고 다닌다면 화상을 입을 것이 틀림없겠지요?
그런데 최근 일본 연구진이 손으로 만져도 안전한 공중 플라스마 디스플레이를 만들어냈습니다. 플라스마 디스플레이의 새 장을 연 것입니다. 주인공은 일본 쓰쿠바대학 오치아이 요이치 조교수(응용컴퓨터과학)가 이끄는 디지털 네이처 연구실과 우쓰노미야대학, 나고야기술연구소, 도쿄대 연구진입니다. 이들은 어떻게 문제를 해결했을까요? 레이저를 쏘는 속도를 나노초(10억분의 1초) 단위에서 펨토초(1000조분의 1초) 단위로 높였습니다. 그렇게 하면 레이저가 만들어내는 개별 복셀이 더욱 짧게 끊어져 피부가 손상을 입지 않는다고 합니다. 만져도 안전한 공중 플라스마 디스플레이가 가능해진 것입니다.
연구진은 30~100펨토초 단위의 레이저를 쏘아 만져도 탈이 없는 여러 형상의 입체 영상을 만들어내는 데 성공했습니다. 연구진이 공개한 동영상을 보면 하트, 별 등과 함께 피노키오 동화 속의 작은 요정 팅커벨의 입체 이미지도 등장합니다. 아주 작은 이미지여서 확대해서 봐야만 모양을 구체적으로 확인할 수 있지만, 틀림없는 팅커벨 모습입니다. 팅커벨에 손가락을 갖다 대면 더 밝은 빛을 냅니다. 사용자가 플라스마를 터치하면 플라스마에서는 충격파가 발생하는데, 이것이 손에 닿으면 어떤 실체가 있는 것처럼 손에 압력을 느끼게 된다고 합니다. 영상이 촉감을 갖게 된 것입니다.
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