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최근 수정 시각 : 2025-11-02 16:37:25

홀로그램


1. 개요2. 홀로그래피3. 컴퓨터 생성 홀로그래피4. 입체 허공 영상
4.1. 페퍼스 고스트4.2. 체적형 홀로그램4.3. 회전형 홀로그램4.4. 실키 파인 미스트4.5. 창작물에서
5. 스테레오스코피
5.1. 오토스테레오스코피
6. 관련 문서

1. 개요

Hologram

홀로그램은 홀로그래피를 통해 사물 등을 평면상에 입체로 기록한 매체를 일컫는다. 홀로그램(Hologram)은 그리스어로 '완전한'이라는 의미의 'Holos'와 '정보, 메시지'라는 의미의 'Gramma'의 합성어로, 1949년 영국의 물리학자 데니스 가보르(Dennis Gabor)가 그의 논문에서 제창한 개념이다. 기존의 사진 기술이 빛의 진폭 정보만을 필름이나 센서에 기록하여 2차원 명암 이미지를 만드는 것과 달리, 홀로그래피는 진폭과 위상 정보를 동시에 기록함으로써 물체의 3차원 정보를 완벽하게 보존한다.

하지만 일반적으로는 SF 등을 통해 널리 알려진 허공 입체 영상 기술을 의미한다.

2. 홀로그래피


홀로그래피란 단일한 레이저에서 나온 특정 주파수의 광선을 반투명 거울을 통해 2개로 나눠 하나의 빛은 필름 스크린을 비추게 하고, 다른 하나의 빛은 우리가 보려고 하는 물체에 반사시켜 필름 스크린에 비추게하여 필름에 2개 광선의 간섭무늬를 새기는 것이다. 이 간섭무늬는 2차원 평면인 필름에 3차원 입체정보를 담고 있는데, 이것이 바로 홀로그램이다. 가보르는 이 원리를 발견한 공로로 1971년에 노벨상까지 수상했다.

홀로그램을 생성하는 과정은 두 개의 코히런트(coherent, 위상이 일정한)한 빛을 중첩시켜 만들어지는 간섭 패턴을 기록하는 것이다. 하나는 3D 객체에서 반사된 복잡한 형태의 물체파(object wave)이고, 다른 하나는 균일한 평면파나 구면파 형태의 참조파(reference wave)이다. 두 파동이 만나면, 위상이 같은 지점에서는 빛이 강해지고(보강 간섭), 위상이 반대인 지점에서는 빛이 약해지는(상쇄 간섭) 현상이 발생한다. 이렇게 생성된 미세하고 복잡한 흑백의 줄무늬 패턴이 바로 홀로그램이며, 이 패턴 안에는 물체파의 진폭과 위상 정보가 참조파와의 상대적인 차이 형태로 모두 암호화되어 있다.

생성된 홀로그램 패턴에 기록 시 사용했던 참조파와 동일한 빛을 비추면, 홀로그램 패턴의 미세한 줄무늬들이 회절 격자(diffraction grating)처럼 작용하여 빛을 특정 방향으로 휘게 만든다. 이 회절된 빛들이 다시 공간에서 서로 간섭하여 원래의 물체파를 완벽하게 재구성하게 된다. 관찰자의 눈은 이 재구성된 파면을 실제 물체가 그 자리에 있는 것처럼 인식하게 되며, 이로 인해 완벽한 3차원 입체감을 느끼게 되는 것이다.

이와 달리, 우리가 지폐나 신용카드에서 흔히 보는 반짝이는 홀로그램은 엠보스 홀로그램(embossed hologram)이라 불리는 것으로, 전통적인 홀로그래피 영상은 아니다. 이는 원래의 홀로그래피 간섭무늬를 복제하여 필름 표면에 약 0.2–0.3 마이크로미터(㎛) 깊이의 미세한 요철로 새긴 것으로, 빛이 회절되면서 각도에 따라 색과 형태가 달라 보이는 시각효과를 낸다. 기록할 때는 홀로그래피 원리를 이용하지만, 복제된 필름은 회절격자처럼 작동해 주변 조명만으로도 영상이 보인다. 따라서 엠보스 홀로그램은 재생에 별도의 참조파나 레이저가 필요 없는 홀로그램이라고 할 수 있다.

엠보스 홀로그램은 정밀한 초미세 가공이 필요하고 복제가 어려워 위조 방지용으로 주로 사용된다. 일본, 호주, 필리핀, 스코틀랜드, 유로화 등 다양한 지역의 통화에 관련 기술이 이미 적용되어 있으며, 대한민국 원화 지폐에도 천원권을 제외하면 적용되어 있다.#

반면, 비슷하게 입체감을 주는 기술인 랜티큘러(lenticular)는 표면에 미세한 반원형 렌즈 배열을 붙여 각도에 따라 서로 다른 2차원 이미지를 보이게 하는 방식으로, 간섭이나 회절이 아닌 단순한 시차 효과를 이용한다. 따라서 홀로그래피가 빛의 파동 정보를 재현해 실제 깊이를 지닌 3차원 영상을 만드는 기술이라면, 랜티큘러는 시각적 착시를 이용한 2차원 인쇄 기법이라고 할 수 있다.

LitiHolo에서 직접 만들어 볼 수 있는 홀로그램 키트를 제작해 판매하고있으며 레이저 3개를 사용한 풀컬러 홀로그램 키트도 존재한다.

3. 컴퓨터 생성 홀로그래피

아날로그 홀로그래피는 완벽한 3차원 영상을 구현할 수 있지만, 실제 물체와 정밀한 광학 장비가 있어야만 기록이 가능하고, 한번 기록된 내용은 수정할 수 없다는 한계가 있다. 컴퓨터 생성 홀로그래피(Computer-Generated Holography, CGH)는 이와 같은 한계를 극복하기 위해 연구되고 있는 기술이다. CGH의 핵심 아이디어는 아날로그 홀로그래피의 물리적 기록 과정을 컴퓨터 시뮬레이션으로 완벽하게 대체하는 것이다.

CGH는 인간의 시각 시스템이 인지하는 모든 광학적 단서를 완벽하게 재현할 수 있는 유일한 기술로 평가받아 궁극의 3D 디스플레이로 불린다. 기존의 스테레오스코픽(Stereoscopic) 3D 기술은 인간의 양안 시차 원리를 이용한다. 좌안과 우안에 약간의 시점 차이가 있는 두 개의 2D 이미지를 각각 보여줌으로써, 뇌가 이를 합성하여 입체감을 느끼게 하는 방식이다. 그런데 3D 상의 물체가 아무리 멀리 있거나 가까이 있는 것처럼 보여도, 관찰자의 눈은 항상 물리적인 디스플레이 스크린 평면에 초점을 맞추게 된다. 이로 인해 뇌가 인지하는 거리와 눈의 초점 거리 사이에 괴리가 발생하는 VAC(Vergence-Accommodation Conflict) 현상이 나타나어 눈의 피로, 두통, 어지럼증을 유발하게 된다.

CGH는 단순히 두 개의 평면 이미지를 통해 깊이감을 흉내 내는 것이 아니라, 실제 물체에서 산란되어 우리 눈에 들어오는 것과 물리적으로 동일한 빛의 파면을 공간에 재구성한다. 따라서 사용자는 홀로그램으로 재구성된 가상 객체를 볼 때, 마치 실제 물체를 보는 것처럼 자연스럽게 눈의 초점과 조절을 일치시킬 수 있다. 가상 객체가 가까이 있으면 눈은 가까운 곳에 초점을 맞추고, 멀리 있으면 먼 곳에 초점을 맞춘다. 뿐만 아니라, CGH는 관찰자가 머리를 움직이거나 위치를 바꿀 때마다 그에 맞춰 가상 객체의 다른 측면을 볼 수 있는 운동 시차(motion parallax)를 완벽하게 구현한다. 스테레오스코픽 디스플레이에서는 관찰자의 위치가 바뀌면 이미지가 왜곡되거나 입체감이 깨지는 문제가 발생하지만, 홀로그램은 모든 각도에서 자연스러운 볼륨감을 유지하여 훨씬 더 높은 현실감과 몰입감을 느낄 수 있다. 이로 인해 VR, AR분야에서 큰 잠재력이 있다고 평가받는다.

CGH 영상을 생성하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 3D MAX나 Blender와 같은 툴로 만들어진 3차원 모델 데이터나, 깊이 카메라로 촬영한 3차원 공간 정보가 입력으로 주어진다. 그러면 컴퓨터는 이 3D 장면을 관찰했을 때 관찰자의 눈에 도달해야 할 이상적인 빛의 파면(target wavefront)이 무엇인지 수학적으로 정의한다. 그 다음 이 목표 파면을 만들어낼 수 있는 홀로그램 패턴(프린지 패턴)을 역으로 계산한다. 이 계산 과정은 빛의 전파와 회절 현상을 설명하는 물리 법칙인 호이겐스-프레넬 원리(Huygens-Fresnel principle)에 기반하며, 근사 정도에 따라 프레넬(Fresnel) 회절이나 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절과 같은 수학적 모델이 사용된다. 여기에 푸리에 광학의 핵심 아이디어를 도입하여 회절 현상을 FFT로 연산해 최적화하는 트릭이 자주 사용된다. 파동은 진폭과 위상을 모두 가지므로, 이 계산은 복소수 연산을 통해 이루어진다. 최종적으로 홀로그램 평면의 각 픽셀은 특정 복소 진폭(complex amplitude) 값을 갖게 되며, 이 2차원 복소수 행렬이 바로 컴퓨터로 생성된 디지털 홀로그램이다. 마지막으로, 이 디지털 데이터를 물리적인 3차원 영상으로 변환하기 위해 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)라는 특수한 디스플레이 장치가 사용된다. SLM은 수백만 개의 미세한 픽셀로 이루어져 있으며, 각 픽셀은 전기적 신호에 따라 통과하는 빛의 위상이나 진폭을 정밀하게 제어할 수 있다. 컴퓨터가 계산한 홀로그램 패턴을 SLM에 전송하면, SLM은 이 패턴에 따라 레이저 빛을 픽셀 단위로 변조하여 원하는 파면을 생성해낸다. 이 변조된 빛이 공간으로 전파되면서 회절과 간섭을 일으켜 최종적으로 우리가 볼 수 있는 3차원 홀로그램 영상을 형성하는 것이다.

CGH 기술이 궁극의 디스플레이라는 별명에도 불구하고 아직 상용화 되지 못하고 있는 이유는 해결해야 할 기술적 난제들이 남아있기 때문이다. 실시간으로 고해상도 CGH 영상을 생성하는데 필요한 연산량은 천문학적인 수준이다. 3D 객체를 구성하는 수백만 개의 점에서 방출된 빛이 디스플레이의 수백만 개 픽셀 각각에 미치는 영향을 모두 계산해야 하므로 계산 복잡도는 상상을 초월한다. 거의 슈퍼컴퓨팅 급 연산력이 필요하며, 수 많은 알고리즘 최적화[1]를 도입하고 영상 품질을 크게 희생시켜야 ASIC이나 FPGA 수준의 전용 가속기에서 겨우 조약한 품질의 CGH 영상을 생성할 수 있다. 그리고 처리해야 할 데이터의 양도 어마어마한데, 70cm 크기의 화면에서 60Hz 주파수로 동작하는 컬러 홀로그램 TV를 구현하기 위해서는 8k UHD TV의 수십만배에 달하는 막대한 양의 데이터 레이트가 필요하다.그리고 SLM 디스플레이 기술 수준이 낮아 픽셀 피치, 해상도가 아직 충분하지 않기 때문에 시야각이 좁고, 스페클 노이즈 등 영상 품질을 떨어트리는 요소의 완벽한 해결책이 나오지 않았다는 점 등에 의해 아직 갈 길이 먼 기술이다. 그러나 인간의 시각 시스템이 요구하는 모든 광학적 단서를 재현하여, 수렴-조절 불일치(VAC)와 같은 기존 3D 기술의 근본적인 한계를 극복할 수 있는 이론적으로 가장 완벽한 차세대 3D 디스플레이 기술이기 때문에 연구 및 투자가 활발히 이루어지고 있고, 기술적 토대가 이미 충분히 다져졌기 때문에 SF 수준의 막연한 미래 기술까지는 아니다.

4. 입체 허공 영상

파일:halo_hologram.gif
[2]
홀로그램과 홀로그래피의 실제 정의는 위와 같으나, 일반적으로 생각하는 홀로그램이란 한마디로 허공 입체영상이다. 하지만 SF영화에 등장하는 것과 같은, 아무것도 없는 허공에 투사되어 현실의 사물마냥 보는 방향에 따라 여러 사람이 동시에 다른 정보를 볼 수 있는 식의 입체 영상 기술은 아직 개발되지 않았다.

실제 홀로그래피 원리(빛의 간섭과 회절)를 사용하지 않으면서 허공에 영상이 떠 있는 것처럼 보이게 하는 다양한 기술들을 통칭할 때 "유사 홀로그램", "가짜 홀로그램"이라는 용어가 비공식적으로 사용된다. 마케팅 용어로 홀로그램이라는 단어가 본래의 기술적 의미와 다르게 널리 사용되는 것이다. 기술적 원리가 완전히 다르기 때문에 홀로그램을 연구하는 학자 교수들 앞에서 아래에 소개된 기술들을 홀로그램으로 부르면 엄청난 어그로를 끌 수 있다.

4.1. 페퍼스 고스트


Pepper's Ghost. 미디어에서 주로 플로팅 홀로그램이라 부르는 것으로, 마이클 잭슨이나 투팍, 휘트니 휴스턴의 사후 라이브 공연, 하츠네 미쿠를 비롯한 VOCALOID 콘서트로 널리 알려져있는 방식이다. 사각뿔 홀로그램(거꾸로된 유리 피라미드)도 여기에 포함.

페퍼스 고스트는 18세기 연극무대에서부터 사용되어온 반거울(하프미러)에 영상을 반사시켜 만든 방식으로, 밤에 집안을 환하게 해놓고 창밖 야경을 보면 내 얼굴이 야경에 겹쳐서 보이는 것과 같은 원리이다. HUD에도 동일하게 사용되는 기술이다.

하코비전이라는 위가 뚫린 마분지 상자 안에 반입체 배경과 편광 필름이 비스듬하게 들어가 스마트폰을 올려 전용 영상을 재생해 간이 홀로그램을 즐기는 식완 장난감이 있으며, 구조가 간단한지라 이를 배경을 분리시키켜 이중으로 만드는 개량을 하기도 한다. 더 나아가 크기를 키워 LCD 모니터와 골판지 상자를 써서 스케일을 더 키우기도 한다.

2016년 2월 24일에는 세계에서 두 번째로 홀로그램 시위가 서울에서 열렸다. 이 것도 페퍼스 고스트를 이용한 방식으로 광장 한가운데 내 건 특수 투명 필름에 프로젝터를 쏘아 영상을 재생한 것. 주최측은 국제앰네스티.[3] 당초 문화제로 신고되었으나 경찰측은 필요시 제재할 수 있다고 밝히면서 긴장 분위기가 조성되기도 했다. 그러나 막상 시위가 벌어지는 동안 경찰측은 별다른 제재를 취하지 않았고, 관련법률 검토 결과에서도 홀로그램 시위는 영상물에 속하기 때문에 시위라고 보기 어렵다고 판단했다고 밝혔다. # 그러나 만일 홀로그램 시위의 구호를 행인들이 따라 외치거나, 홀로그램 속 시위대가 행진을 요구한다거나 하는 경우에는 또 법적으로 어떻게 판단해야 할지 애매해지게 된다. 현실의 법령이 기술의 진보와 사회의 변화를 따라잡지 못해서 생기는 일종의 문화 지체 현상이기도 하다.[4]

2022년 현재로써는 가장 저렴하고 가장 흔한 방식의 홀로그램 구현 방법이다. 프로젝터나 고휘도 LCD패널과 반투명 플라스틱(또는 아크릴이나 필름지, 일부 유리도 가능.) 판만 있으면 충분하기 때문이다. 돈지랄성 옵션에 가깝기는 하지만 간판으로 쓰기도 한다. (일부 소형 광고판은 이 방식이 아니라 회전형 LED를 쓰는 경우도 있음)

4.2. 체적형 홀로그램


물이나 구슬 등 쏘거나 떨어트리는 양과 거리, 각도 등을 조절하거나 미리 입체적으로 설치하거나 회전시키는 광원을 통해 3D 디스플레이를 구축하는 경우는 체적형 디스플레이(Volumetric display)라 부른다.

박물관에서 유리 상자 안에 넣은 물건처럼 보는 방향에 따라 동시에 서로 다른 시각 정보를 얻는 게 가능하므로 관점에 따라서는 아직 가상의 개념인 허공 입체영상과 가장 유사한 방식이라고 볼 수도 있다.

Voxon Photonic사에선 투명한 판을 위 아래로 빠르게 움직이며 그 위에 화면을 층층이 쌓아 홀로그램을 만드는 제품을 만들어 판매하고 있다. 도형, 인물, 그래프, 플레이 가능한 게임까지 표현 가능하며 xbox 컨트롤러를 포함한 다양한 컨트롤러를 지원하고 있다. 다만 값이 9800달러에 달해서 일반 사용자용은 아니다.

4.3. 회전형 홀로그램


LED가 부착된 날개 4엽을 빠르게 회전시키며 영상을 주사시키는 방식이다. 내부 컨트롤러가 날개의 회전각에 따라 디스플레이 표시 내용을 변화시키기 때문에 번지지 않는 2D 화면을 출력할 수 있으며, 선풍기의 날개가 운행중엔 잘 보이지 않는 것과 비슷한 원리로 영상만 붕 뜬 것처럼 착시를 일으킨다.

가격이 저렴하고 구현이 쉬우며 이동성도 좋지만, 주사율이 낮고 깜박거림이 심하며 소음이 크고 실물 날개가 회전하는 방식상 몹시 위험한 등 단점도 많기 때문에 한정적인 용도로 사용된다.

안전 문제를 해결하려면 사람 손이 닿지 않는 곳에 설치하거나 투명 케이스를 씌우는 수밖에 없고, 이러면 투명 디스플레이 하위버전이 되어버리는 것도 문제.

4.4. 실키 파인 미스트


2024년 파나소닉이 InfoComm에서 선보인 방식.

가습기와 바람을 이용하여 물 입자를 눈에 보이지 않을 정도로 작게 만들어 투명도를 확보하고, 그 물입자에 영상을 반사시키는 식이다. 일반적인 프로젝터는 너무 어두워서 이렇게 하면 안 보이지만 높은 루멘으로 쏴서 해결했다. 코타나가 머지 않았다

2D 영상이면서 육안으로는 영상이 투사되는 평면을 보이지 않게 함으로써 유사 3D 효과를 준다는 원리가 위의 회전형과 유사하다. 비록 볼륨감있는 3D 입체 영상은 아니지만 어쨌든 정말로 허공에 영상이 나오는데다 물입자를 이용하기 때문에 손을 대도 안전하므로 위의 회전형보다 실제 활용도가 훨씬 높을 것으로 전망된다. 대신 원리상 기체의 움직임에 영향을 받기 때문에 아지랑이처럼 영상이 다소 흔들릴 수 있으며, 포터블 형태로 만들기 불리한 것도 단점.

4.5. 창작물에서

완벽 입체영상 디스플레이는 온갖 창작물에서 등장하며, 특히 SF물에서 자주 나온다. 주로 전투 중에 상대방의 눈속임을 유도하거나, 설계도면이나 지형을 3차원적으로 보는 용도로 쓰인다. 이 중 후자의 경우는 Apple Vision Pro등 VR관련 기기들을 통해서, 비록 개인용 가상 공간이므로 홀로그램과는 무관하지만, 영화에서 선보인 것과 매우 유사한 방식으로 현실화되기도 했다.

일부 SF에서는 단순한 영상을 넘어서서 홀로그램 자체가 물리적 실체를 갖는 것처럼 묘사되기도 한다. 이 경우엔 공기를 플라즈마화하거나, 전자기장을 이용하거나, 아예 빛을 고형화하는 등의 설정이 추가된다. 하지만 공기를 플라즈마하면 온도가...

5. 스테레오스코피

평면 영상을 가지고 좌우 시각에 다른 정보를 주어 입체시를 느낄 수 있게 만든 디스플레이도 홀로그램으로 일컬어질 때가 있다. 흔히 영화관에서 보는 3D 영화나 3D TV 등이 가지고 있는 3D 디스플레이가 좋은 예. 스테레오스코피라고도 부르며, 편광렌즈나 고속 셔터 등을 이용하며 좌우 시각에 별개의 정보를 준다는 점은 방식을 막론하고 동일하다. 입체처럼 느껴지기는 하지만 홀로그램은 아니고, 어느 각도에서 보나 같은 정면만 보인다. 센서와 HMD를 이용해 개인 시청각도에 따라 다른 정보를 보여줄수는 있으나 여전히 홀로그램의 정의에는 부합하지 않는다.

증강현실은 페퍼스 고스트와 스테레오스코피가 만나 업그레이드 된 방식이라 볼 수 있을 것이다. 마이크로소프트 홀로렌즈도 이름은 홀로그램과 렌즈의 합성어지만, 그냥 증강현실에다가 HMD를 더한 것.

5.1. 오토스테레오스코피

오토스테레오스코피는 안경이 필요 없는 3D 디스플레이 방식이다. 일단 매직아이가 있고, 닌텐도 3DS가 사용하고 있는 시차장벽 방식도 대표적인 예.

간혹 가다가 책받침이나 엽서 등에 새겨진 오돌도톨한 매직아이 같은 것을 보면 홀로그램이라고 하는 사람들이 있는데 이건 홀로그램이 아니라 오토스테레오스코피의 한 종류인 렌티큘러다.

6. 관련 문서

[1] FFT 기반 프레넬/앙귤러 스펙트럼 전파와 반복적 위상 복원(Gerchberg–Saxton, Wirtinger gradient 등), 가중/다중평면 최적화 등[2] 게임 헤일로 워즈 2 캠페인의 시네마틱[3] 최초의 홀로그램 시위는 스페인에서 집회시위금지법에 반발하여 열렸다.[4] 다만, 그 이후로 2020년 그린피스의 시위를 제외하면 그다지 시위에 활용하질 않아서, 법적인 판단 등은 그럭저럭 묻힌 듯 하다.[5] 옷갈아입기, 휴대용디바이스, 자동차데칼, 군사용드론의 앰블럼, 폭탄위에 인형홀로를 씌우기도 한다.[6] 정확하게는 페인의 명령으로 직접 전부 모습을 드러내는 것이 아니라, 입체영상으로 전부 집합시키게 한다.[스포일러] 엘리멘탈스도 미스테리오가 만들어낸 가짜다.[8] 스킨중에 홀로그램 컨셉도 있다.[9] 생성자 마나카 논이 쥬논과 피논 두 멤버를 홀로그램으로 생성했다.[10] 마나카 라라가 급한 김에 프리파라를 번성하게 보이도록 생성했는데 동 솔라미 스마일의 멤버 미나미 미레이에게 들켜 버렸다. 외에도 마네킹도 사용했다. 미나미 미레이 항목 참조[11] 사용자의 모습을 그대로 복사하는데, 어떤 원리인지 몰라도 물리적 실체가 있는 것 마냥 원 사용자가 들고있는 총을 쏘는데 똑같이 물리적 피해를 가한다.

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