- 2차원 상을 3차원으로 보이게 하는 홀로그래피
인류는 오래 전부터 2차원인 이미지를 3차원으로 보이게 하는 방법을 연구했습니다. 두 눈의 시야각 차이를 이용해 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 각각 다른 시야를 제공해 3차원으로 보이게 하는 방법이 가장 오래되고 널리 사용되었습니다. 하지만 동시에 2차원 이미지를 겹쳐 3차원으로 보이게 하는 방법도 연구되었습니다. 그리고 2차원 이미지를 겹쳐 3차원으로 보이게 하는 방법은 양 눈 시야를 따로 만들 필요가 없어 일단 구현만 하면 유용하게 사용할 수 있었습니다.
연구자들은 본래 빛과 물체와 부딫혀 갔던 길 그대로 되돌아가는 두 빛이 만나면 간섭효과가 일어난다는 사실을 발견했습니다. 그럴 경우 본래 갈 길을 가던 빛은 아무 정보가 없는 반면 물체와 부딫혀 그대로 되돌아가는 빛은 물체에 대한 정보를 담고 있어 두 빛이 서로 다른 특성을 가지게 됩니다. 그렇게 서로 다른 두 빛이 충돌하면 간섭 무늬가 생겨 빛이 회절해 똑같은 상이 여러 개 겹쳐 보입니다.
이는 평면인 2차원 이미지를 여러 장 살짝 옆으로 겹치게 중첩시켜 최종적으로 전체 이미지가 3차원으로 보이게 하는 효과를 일으킵니다. 이 현상이 홀로그래피입니다. 연구자들은 이 물리현상에 주목하며 같은 빛을 여러 개 모아 충돌시키는 프리즘을 만들며 홀로그래피를 인공적으로 구현했으며 연구를 거쳐 레이저처럼 파동과 위상이 균일한 빛으로 홀로그래피를 구현할 수 있음을 확인했습니다.
- 인공적으로 홀로그래피를 구현하는 방법
그리고 연구자들은 여기서 더 나아가 자연에서 보기 정말 힘든 홀로그래피 현상을 의도적으로 통제하는 방법을 연구했습니다. 그리고 인공적으로 빛의 간섭 현상을 일으키게 하기 위해 필름을 이용했습니다. 연구원들은 실제 물체에 실제 물체와 동일한 상을 가진 레이저 빛을 동일한 각도로 발사해 인공적으로 간섭 현상을 일으키며 홀로그램을 만들었습니다. 허나 이 방법은 현실적으로 발생하는 시차 때문에 홀로그램이 흐릿하게 보인다는 단점이 있었습니다. 이 문제는 1968년 스티븐 벤턴이 물체와 동일한 상을 가진 빛을 아주 작은 틈을 가진 슬릿을 통과시켜 시차를 조정하는 레인보우 홀로그램 기법으로 해결했습니다.
덕분에 홀로그램은 빛이 번지지 않고 정확하게 모여 선명한 상을 이루었습니다. 덕분에 레인보우 홀로그램은 지금도 널리 사용되는 홀로그램 기술이 되었으며 카드나 지폐 등 2차원 물체에 적용하는 홀로그램으로 널리 사용되고 있습니다. 카드사는 레인보우 홀로그램을 이용해 카드에 홀로그램 상을 만들어 카드 위변조를 막았습니다. 당시 홀로그램은 구현할 수 있는 전문가도 별로 없고 기술적으로 구현하기 힘든 기술이었기에 위조범들은 감히 모방할 수 없었기 때문입니다.
- HoloLens에 홀로그램을
레인보우 홀로그램을 시작으로 홀로그램은 점차 선명해졌고 홀로그램 기술은 나날이 발전했습니다. 그리고 이에 따라 여러 분야에 홀로그램을 적용하려는 시도가 이루어졌습니다. 초기에는 박물관이나 미술관 등에 홀로그램 전시를 하는 등 인간과 완전히 분리된 장치로 홀로그램을 구현했습니다. 가장 단순한 형태의 홀로그램은 정사각뿔을 뒤집은 형태의 홀로그램으로 아래에서 오는 빛이 45도 각도의 프리즘과 충돌해 두 빛으로 쪼개져 간섭 무늬가 일어나며 홀로그램을 형성하는 원리로 작동했습니다.
그리고 기술을 더더욱 발전시켜 홀로그램 디스플레이를 개발하고 더 선명하고 입체적인 홀로그램을 구현했습니다. 이 때 홀로그램의 핵심기술은 45도 각도로 빛을 정확히 두 개로 양분하게 하는 기술이었습니다. 모든 홀로그램 디스플레이는 이를 따랐고 홀로그램 디스플레이 덕에 홀로그램은 우리 일상에 한걸음 더 다가왔습니다.
- HoloLens에 홀로그램을
홀로그램 디스플레이로 홀로그램 기술에 대한 노하우가 점차 쌓이자 일부 연구자들은 홀로그램을 안경에 띄우려는 시도를 했습니다. 특히 Microsoft의 HoloLens 연구원들은 눈 바로 앞에 홀로그램을 생성해 증강현실AR을 구현하려고 했습니다. 허나 홀로그램 디스플레이를 그대로 안경에 넣을 수 없었습니다. 그래서 연구원들은 홀로그램을 구현할 수 있는 렌즈 각도를 연구했습니다.
그렇게 HoloLens 렌즈는 완만한 곡선을 형성해 빛을 두 개로 나눠 간섭 현상을 일으킬 수 있었습니다. 렌즈 뿐만 아니라 홀로그램을 생성하는 디스플레이도 한단계 더 발전시켰습니다. Microsoft는 빨간색, 초록색, 파란색의 빛을 받으면 그 빛을 모은 뒤 적절한 세기로 빛을 굴절, 반사시켜 적절한 위치에 간섭 효과를 일으키는 작은 칩 MEMS display를 개발했습니다.
Microsoft는 HoloLens 윗부분에 MEMS display와 레이저를 설치해 레이저로 빛을 쏘면 MEMS display에서 프리즘으로 빛을 보내 홀로그램을 구현했습니다. 덕분에 크고 두꺼운 홀로그램 디스플레이보다 훨씬 작고 가벼운 장치로 홀로그램을 형성할 수 있어 머리에 착용하는 HMD의 부품으로 사용하기 적합했습니다.
Microsoft가 MEMS display와 프리즘으로 성공적으로 홀로그램을 구현하자 많은 기업들은 Microsoft의 홀로그램 기술에 주목했습니다. Microsoft의 HoloLens는 안경 형태의 홀로그램 장치를 만들 수 있다는 가능성을 보여줬고 홀로그램을 이용한 증강현실AR을 실현할 수 있음을 보여준 상징적인 모델이었습니다.
비록 Microsoft는 HoloLens와 HoloLens 2의 시야각을 넓히지 못해 판매량이 예상보다 훨씬 아래라는 초라한 성적을 냈지만 Microsoft의 경험을 발판으로 다른 기업들도 홀로그램을 이용한 증강현실에 도전하며 증강현실 세상은 더더욱 넓어지게 되었습니다.
- Xreal이 도전한 안경형 홀로그램 광학렌즈
Microsoft에 이어 홀로그램을 이용한 증강현실에 큰 투자를 한 Xreal은 안경에 증강현실을 담는 것에 도전했기에 Microsoft의 HoloLens보다 더 작은 홀로그램 광학렌즈를 개발해야 했습니다. 허나 MEMS display처럼 좋은 고사양의 홀로그램 디스플레이를 설치하기에는 우선 안경에 들어가지 않고 전력 소모가 심해 별다른 배터리가 없는 Xreal 안경에 적합하지 않았습니다. 그래서 Xreal은 처음으로 돌아가 45도 각도의 홀로그램 디스플레이를 작게 만드는 방법을 선택했습니다.
Xreal은 휴대폰이나 TV 화면을 그대로 안경에 띄우는 것을 목표로 했기 때문에 OLED의 빛으로 홀로그램을 생성하는 방법을 연구했습니다. 그래서 빛을 둘로 쪼개는 필름과 얇은 거울을 독자 개발하는 등 안경 광학렌즈 자체를 홀로그램을 구현하기 위한 렌즈로 개량했습니다. 덕분에 Xreal은 안경만으로 홀로그램을 구현하는데 성공했으며 Xreal만의 핵심 기술을 확보했습니다.
하지만 Xreal의 홀로그램 광학렌즈는 45도 각도의 필름을 추가하다보니 어쩔 수 없이 일반 안경보다 두꺼워졌습니다. 그래서 Xreal 안경을 쓰면 앞면에서 보면 티가 별로 안 나지만 옆에서 보면 안경이 좀 튀어나와있는 듯한 느낌을 지울 수 없었습니다. Xreal 역시 이를 잘 알고 있고 필름을 작게 하려고 했지만 그러면 시야각이 좁아지는 등 문제가 발생했습니다.
- 필름을 얇게 도삭하는 LetinAR
이런 Xreal의 한계를 해결하는 방법을 제시한 기업이 있습니다. 2016년 설립된 대한민국의 스타트업인 LetinAR 역시 홀로그램을 이용한 증강현실 안경 구현에 도전하는 기업입니다. LetinAR은 HoloLens와 Xreal이 가지고 있는 두꺼운 광학렌즈를 문제점으로 파악하고 이를 해결하는 방법을 연구했습니다. 그리고 LetinAR은 렌즈가 두꺼워지게 하는 원흉인 거울과 스플린터를 아예 광학렌즈 안에 넣어버리자는 아이디어를 냈습니다. 그래서 광학렌즈로 디스플레이가 빛을 쏘면 렌즈 안에서 빛이 반사되다 거울과 충돌해 반사하고 그 반사된 빛들이 스플린터를 거쳐 두 눈으로 들어가 홀로그램을 형성하는 것이었습니다.
이를 위해서면 정교한 초점 맞추기가 필요했습니다. LetinAR은 이를 구현하기 위해 많은 방법을 시도했습니다. 그리고 수차례의 도전 끝에 정교하게 초점을 맞춘 거울과 스플린터에 유리를 덮어 광학렌즈를 구현한 뒤 렌즈를 절삭하고 그 주위를 디스플레이로 덮는 기술을 개발했습니다.
그야말로 안경 알 안에 홀로그램 디스플레이를 넣는 기술이었습니다. 덕분에 안경 광학렌즈 뒤로 별도의 홀로그램 디스플레이 장치들을 설치할 필요가 없어져 안경 두께 자체가 일반 안경처럼 얇아졌습니다. 또한 안경을 쓰는 사용자는 눈 앞에 걸리적거리는 홀로그램 디스플레이 부품이 없으니 일반 안경처럼 훨씬 편하고 자유롭게 사용할 수 있게 되었습니다.
그리고 LetinAR은 중요한 선명도 구현을 위해 빛의 세기와 홀로그램 디스플레이 배치에 대한 연구를 계속하며 자연광에서도 꽤 선명한 상을 구현하며 기술을 발전시키고 있습니다. 중국의 스마트 안경 기업인 TCL은 LetinAR의 홀로그램 광학렌즈를 수입해 TCL Ray Neo X 2 등 TCL 스마트 안경 제품에 적용하고 있습니다.
- 다른 원리로 홀로그램을 준비하는 DigiLens
대한민국의 LetinAR 외에도 홀로렌즈 안경 기술로 주목받는 기업이 있습니다. 그 기업은 미국의 DigiLens로 위에서 디스플레이를 설치한 뒤 빛을 쏘는 일반적인 방법이 아닌 안경 렌즈 가장자리에서 빛을 쏴 빛이 렌즈 내부에서 사선으로 반사되며 홀로그램을 형성하는 방법을 택했습니다.
DigiLens는 독자 기술을 적용해 Argo 등 여러 스마트 안경을 개발했습니다. 덕분에 DigiLens는 홀로그램을 구현하는 스마트 안경 기업으로 주목받으며 미국에서 큰 투자를 받았습니다. DigiLens는 미국 정부와도 협력하며 스마트 안경을 개발하고 있습니다. 특히 자동차 전면 유리에 띄우는 HUD 쪽으로 연구개발하고 계약을 맺으며 성장하고 있습니다.
DigiLens는 안경 알에 아무런 이물질도 보이지 않는 깔끔한 안경 알을 무기로 내세우고 있습니다. 이는 Xreal, LetinAR과 구분되는 DigiLens의 특징으로 사용자는 평상시에도 선명한 상으로 안경을 착용하다 필요할 때 증강현실AR 상을 띄워 이용할 수 있습니다. 이처럼 홀로그램을 이용한 증강현실을 구현하려는 기업들의 경쟁이 치열하게 일어나고 있습니다.
- Meta가 인수한 Luxexcel
한편 2021년 facebook에서 Meta로 사명을 변경한 Meta는 Oculus 하드웨어와 Horizon Worlds 소프트웨어를 앞세워 메타버스에 도전했으나 부족한 기술로 실망한 대중의 반발로 실패했습니다. 이후 Meta는 LLaMa를 개발하고 NPU 개발에 투자하며 인공지능 산업에 참전했지만 여전히 메타버스를 놓지 않았습니다. 2023년 Meta는 카메라가 달린 Ray Ban glasses를 깜짝 발표하며 스마트안경에 뛰어들었습니다.
2023년 발표하고 2024년 판매를 시작한 Meta Ray Ban glasses는 원할 때 안경으로 사진을 찍어 facebook이나 Instagram으로 사진을 올리고 공유할 수 있으며 인공지능과 대화할 수 있는 안경입니다. Meta Ray Ban glasses는 2024년 북미에 출시되어 북미 시장에서 뜨거운 관심을 받았습니다. 이렇게 스마트안경 시장에 뛰어든 Meta는 2022년 네덜란드의 Luxexcel을 인수했습니다.
Luxexcel은 3D 프린팅 기법으로 렌즈를 제조하는 VisionPlatform 기술을 보유한 기업으로 원하는 형태의 렌즈를 3D 프린팅으로 정교하게 출력할 수 있는 기업입니다. 이는 Xreal이나 TCL, LetinAR처럼 스마트안경 산업에 뛰어들려고 하는 Meta가 반드시 가져야 하는 기술이었기에 Meta는 Luxexcel을 인수해 스마트안경 독자개발을 할 수 있는 기반을 마련했습니다.
- Meta가 꿈꾸는 미래
Luxexcel을 인수한 Meta는 Luxexcel의 기술을 활용해 본격적으로 안경에 증강현실을 덧입힐 준비를 하고 있습니다. 마침 Luxexcel 역시 2022년 가상현실과 증강현실을 구현하는 하드웨어 기술이 우수한 기업으로 선정된 기업으로 안경을 이용해 증강현실을 구현하려는 연구개발이 진행된 기업이었습니다. 그래서 Meta는 안경 렌즈에 레이저를 쏴 증강현실을 구현할 준비를 하고 있습니다.
이는 Meta가 메타버스를 아직 포기하지 않았음을 잘 보여주는 사레입니다. 동시에 이미 Oculus를 통해 가상현실VR, 증강현실AR, 혼합현실MR 분야에 높은 기술력을 보유하고 많은 콘텐츠를 가지고 있는 Meta가 증강현실 안경을 통해 미래의 증강현실 시장을 장악하려는 야심을 드러내는 사례입니다.
- 현실이 되어가는 증강현실 세계
현실과 가상이 혼합되는 증강현실AR은 1990년대부터 SF 영화에 단골로 나온 기술입니다. 영화에 묘사한 증강현실AR은 홀로그램 상이 허공에 뜨고 사람이 손으로 홀로그램 상을 조작하며 이용하는 형태로 나옵니다. 이런 증강현실AR 기술은 2010년대까지만 해도 그저 SF 영화에나 나오는 기술로 여겨졌지만 일부는 그 기술을 실현하려는 꿈을 품었습니다.
그리고 완전한 공기 중에 홀로그램이 뜨는 방법은 아니지만 비슷한 방법인 안경에 홀로그램이 떠 사용자에게 허공에 홀로그램이 뜨는 듯한 경험을 제공하는 방향으로 발전하고 있습니다. 2016년 HoloLens가 세상에 나온 것을 시작으로 증강현실 안경을 실현하려는 기업들이 속속이 등장했고 이들이 꿈을 실현하기 위해 바친 노력 덕에 2020년대에 현실에 가상이 추가되는 증강현실AR 세계에 더 가까워지고 있습니다.
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