무안경식 3D 디스플레이용 광학 필름
윤현식, 이혜민
서울과학기술대학교 화공생명공학과 [email protected]
서론
영화 아바타의 출시 이후 수많은 3D로 감상할 수 있는 영화가 제작이 되고 있고, 실시간으로 축구경기 를 3차원으로 볼 수 있는 TV, 3D를 이용한 휴대폰, 게임기들이 보급됨에 따라 점차 3D 디스플레이에 대 한 관심과 기술의 발전이 나날이 높아지고 있다. 이는 3D 영상을 볼 때, 2D 영상을 볼 때 보다 더욱 생동감 이 넘치며 그 속에 들어가 있는 느낌을 주기 때문이라 고 할 수 있다. 하지만, 이러한 3D 영상을 감상하기 위 해서는 [그림 1]의 광고들과 같이 안경을 써야 된다.
즉, 3D 감상을 위해서는 특수하게 처리된 안경을 써 야 하는데 그 방식에 상관없이 안경을 쓰지 않는 사람 들도 안경을 끼고 TV를 보아야 하는 불편함을 겪어 야 한다. 이에 안경을 쓰지 않고 3D를 감상할 수 있는 무안경식 3D 디스플레이 방식에 대한 관심이 급증하 고 있다. 본 강좌에서는 이러한 무안경식 3D 디스플 레이의 원리와 최근 개발된 루시우스 프리즘 어레이
에 대한 소개, 그리고 향후 개발방향 등에 대해 다루 고자 한다.
3D 디스플레이의 원리
사람이 사물을 볼 때, 거리감 입체감을 느끼게 하는 여러 가지 요소가 있다. 선천적 요인으로는 폭주, 양안 시차, 초점 조절, 운동시차가 있고 심리학적 요인으론 물체의 크기, 높이, 중첩, 텍스처 구배, 공기시투, 선원 근법 그림자, 색조, 색의 포화도, 선명도가 있다. 현재 평판 디스플레이에서 3D 구현방식은 이중에서 양안 시차를 이용한다.[1]
[그림 2]는 입체적인 물체를 바라 볼 때 왼쪽 눈에 서 보이는 영상과 오른쪽 눈에 보이는 영상이 다른 이 유를 설명하고 있다. 양안 시차는 약 65mm 정도 떨 어져 있는 좌안과 우안 사이의 시야의 차이가 뇌에서 해석되어 입체감을 느낄 수 있도록 하는 방식이다. 즉, 좌안과 우안으로 보는 상의 간격차가 크면 두 개의 물
그림 1.3D TV 광고( 출처 삼성 스마트 TV 3D 광고), 3D 영화관 광고(출처 CGV Imax 포스터).
체로 인식하게 되지만 간격차가 일정거리 이하이면 상이 뇌에서 하나로 융합되어 인식되면서 간격의 방 향과 크기에 따라 깊이감을 느낄 수 있게 된다[1].
무안경식 3D 디스플레이
안경식 3D 디스플레이 방식은 편광 혹은 셔터식 안경 을 이용하여 두 눈에 서로 다른 영상을 주입하는 방법이 지만 무안경식 디스플레이는 주로 광학 필름을 평판 디 스플레이 앞에 설치함으로써 안경이 없이도 두 눈에 두 개의 서로 다른 이차원 영상을 구별되게 주입할 수 있는 방식이다.[1] 무안경식 3D 디스플레이는 페럴렉스베리 어, 렌티큘러 렌즈, 프리즘 방식 및 혼합방식 등이 있다.
각각의 특징과 원리에 대해서 알아보도록 하자.
패럴렉스베리어방식
패럴렉스베리어방식은 디스플레이 앞에 광학적 베 리어를 두고, 베리어 사이의 구멍을 통해서 좌안과 우 안으로 보는 영상을 분리하는 방식으로 슬릿([그림 3]에서 까만부분)과 슬릿사이의 간격을 조정함으로 써, 좌안과 우안이 서로 다른 영상을 보도록 한다.[1]
[그림 3]에서 처럼 일정한 간격의 슬릿을 가지는 패널 (패럴렉스베리어)이 디스플레이 앞에 설치되면 좌안 은 L영상만 우안은 R영상만 볼 수 있도록 한다. 이를 통하여 좌우 망막에 서로 다른 두개의 2차원 영상이 구별되어 주입되고 이것이 뇌에서의 결합을 통해 3차 원의 영상으로 인식되는 것이다. 이 패럴렉스베리어는 제작이 간단하고, 이차원과 삼차원을 공용으로 사용할 수 있는 장점이 있으나 베리어에서 빛을 차단하여 휘 도가 떨어지는 문제점을 가지고 있다[2].
렌티큘러 렌즈 방식
렌티큘러 렌즈 방식은 렌즈의 굴절을 이용한 방식 이다.[2] 즉 [그림 3]의 그림과 같이 반구 실린더 형 태의 렌즈가 규칙적으로 나열되어 있는 렌티큘러 스 크린을 오른쪽과 왼쪽 영상으로 분리해 공급하는 디 스플레이 앞에 배치하게 되면, L 영상은 좌안으로 R 영상은 우안으로 분리해 주입할 수 있게 된다. 이때 주의해야 할 것은 하나의 반 실린더 형의 렌즈가 L영 상 하나와 R영상 하나와 연관되기 때문에 반 실린더 형의 렌즈의 피치가 정확히 L과 R 한 세트의 피치와 같게 배치되어야 한다[2]. 렌티큘러 렌즈방식은 패럴 렉스베리어 방식과 마찬가지로 스크린의 정면에서 정
그림 3. 패럴렉스베리어 (좌), 렌티큘러 렌즈 (우)를 이용한 무안경식 3D 디스플레이.
그림 2. 양안시차- 좌안영이 왼쪽으로 들어오는 시야의 이미지, 우안영이 오른쪽으로 들어오는 시야의 이미지 이며 이것들이 뇌에서 합쳐져서 맨 좌측 윗부분의 삼각 형을 인식하게 된다[2].
해진 위치를 벗어나지 않고 봐야 3차원 입체영상을 제대로 볼 수 있다. 만약 좌측이나 우측으로 약 65mm(사람의 우안과좌안 사이)*n(홀수)의 거리를 이동하게 되면 정 입체영상이 아닌 역 입체영상이 나 오게 된다. 또한 빛이 집시되는 점보다 더 뒤로 물러 나게 되면 좌우영상의 혼선이 발생하게 되는 단점이 있다[1].
프리즘 스크린을 이용한 프로젝션 방식의무안경식 3D 디스플레이
또 하나의 무안경식 3D 디스플레이로는 프리즘 패 턴을 프로젝션 스크린으로 이용하는 방식이 있다. 이 방식은 [그림 4]와 같이 프리즘 모양을 가진 스크린 에 프로젝터를 이용하여 영상을 보내고 프리즘 패턴 위에서의 반사각에 의해서 좌안과 우안에 들어오는 영상을 구분하는 방식이다[3]. 이때, 프리즘의 각도를 다르게 하면 같은 거리만큼 스크린과 시야가 떨어져 있을 때라도, 반사각이 변하게 되어 프리즘에 반사된 영상이 들어오는 위치가 달라지게 된다. 이를 이용하 여서 좌안과 우안에 다른 영상이 들어오도록 유도하 게 된다.
프리즘과 렌즈의 혼합방식
[그림 5]는 3M에서 개발한 광학필름으로 필름의
윗면에는 렌티큘러렌즈를, 아랫면에는 프리즘을 배치 하였다. 이러한 광학필름을 백라이트와 LCD패널 사 이에 배치하고 좌/우에서의 백라이트의 조명을 LCD 패널의 좌/우 이미지와 공조시켜 좌/우 안에 서로 다 른 영상을 배치시키는 방식이다. 이 방식의 특이한 점 으로는 가운데에서는 3D로 영상을 감상할 수 있으나 좌/우에서는 2D로 이미지를 감상하게 되어 좌, 우의 서로 다른 사람이 다른 영상을 감상할 수 있는 듀얼 디스플레이로 사용할 수 있는 특징을 가지게 된다.
루시우스 프리즘 어레이 방식
루시우스 프리즘 어레이 방식이란 [그림 6]과 같이 투명한 고분자로 형성한 프리즘 구조의 한쪽 면(그림 상 왼쪽)에 금속을 코팅한 프리즘 방식을 의미한다.
이러한 프리즘 어레이는 금속이 코팅된 쪽에서 보았 을 때에는 빛이 차단되어 그 아래의 영상이 보이지 않 지만 반대방향에서 보는 경우 투명하여 그 아래의 신 그림 4. 프리즘 스크린을 이용한 프로젝션 타입의 무안
경식 3D 디스플레이.
그림 5. 3M의 렌즈와 프리즘의 혼합방식을 이용한 3D 디스플레이.
그림 6. 루시우스 프리즘의 방향에 따른 투과도의 차이.
문과 같은 그림을 볼 수 있는 특징을 지닌다.
이러한 루시우스 프리즘 어레이 방식을 무안경식 3D 디스플레이로 이용하기 위해서 섀도우 마스크 방 식을 이용하여 좌/우로 번갈아 가면서 금속을 코팅하 고 그 주기와 좌/우 영상의 주기를 일치시켰다. 즉 [그림 7]의 아래 부분(Mixed Image)과 같이 스마일 사진과 로고 사진을 번갈아 가면서 배치하고 좌/우로 주기를 가지고 코팅이 되어 있는 루시우스 프리즘 어 레이를 그 위에 정렬하였다. 이를 이용하면 왼쪽 눈에 는 로고가 오른쪽 눈에는 스마일 사진이 보이게 되며 이는 두 눈에 서로 다른 영상을 보아야 하는 무안경식 3D 디스플레이에 적용할 수 있는 방식이 된다고 할 수 있다.
루시우스 프리즘 어레이 방식의 무안경식 3D 디스 플레이는 기존의 방식과 다음과 같은 다른 특징을 가 지고 있다. 먼저 패럴렉스베리어방식, 렌티큘러렌즈 방식에서는 시야각이 바뀔 때 일정한 간격으로 역 입 체상을 보게 되거나 좌/우가 혼재되는 영역을 보게 되는 단점이 있었다. 하지만 루시우스 프리즘 방식은 가운데에서는 3D, 좌/우에서는 2D로 감상할 수 있다.
이는 3M에서 개발된 프리즘/렌즈 융합방식과 유사할 수 있으나 백라이트와 공조를 할 필요가 없고, 백라이 트가 필요없는 OLED와 같은 디스플레이 방식에 사 용이 용이하다고 할 수 있다. 또한 루시우스 프리즘 어레이는 유연성을 지니고 있어 그림 8과 같이 휘어 지는 방향에 따라 영상이 바뀌게 된다. 이는 플렉서블 디스플레이의 새로운 응용으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.
향후 연구 동향 및 맺음말
위에서 살펴본 것과 같이 3D 디스플레이를 감상하 기 위해 안경을 써야 하는 불편함을 없애기 위한 연구 들이 지속적으로 진행되고 있다. 하지만 아직 위에서 소개된 방식들은 시야각이 한정되어 휴대폰, 게임기, 모니터와 같이 혼자서 사용하는 용도에 국한되는 문 제점을 가지고 있다. 궁극적으로 여러 사람이 동시에 3D를 감상할 수 있는 3D 영화에 적용하기 위해서는 여러 방향에서 볼 수 있는 멀티-뷰 혹은 집적영상 방 식, 더 나아가 홀로그램 방식의 디스플레이 기술들로 발전이 있어야 할 것이다. 또한 위에서 소개되지 않았 지만 3D/2D 변환에 대한 연구도 필요하다. 사용자에 따라서는 3D로 보는 것이 불편하여 2D로 전환이 자 유자재로 가능해야 한다고 할 수 있다. 이를 위해 패 럴렉스베리어 자체를 LCD로 구현하고 영상이 보이 는 LCD 패널 위에 배치시켜 베리어를 나타내는 LCD 를 사용하면 3D로, 이를 끄면 2D로 감상하는 기술이 개발되었다. 향후 렌즈 방식에서의 3D/2D 전환에 대 그림 7. 루시우스 프리즘 어레이를 이용한 무안경식 3D
디스플레이.
그림 8. 플렉서 블루시우스 프리즘 어레이.
한 기술연구가 필요하며 더 나아가 루시우스 프리즘 어레이 방식에서 금속으로 인해 차단되는 빛으로 인 한 휘도 감소를 해결할 수 있는 연구가 지속적으로 진 행이 되어야 할 것이다.
참고문헌
[1] Display bank, ‘3D 디스플레이 기술 및 업체동향과 시 장전망(2008-2015), report, copright 2008 Displaybank Co., Ltd.
[2] N. A. Dodgson, Computer 38, 31(2005).
[3] N. Holliman, 3D Display Systems, Handbook of Opto-Electronics(IOP Press,Spring), ISBN 0-7503-
0646-7(2004).
[4] W. Mphepo, Y. P. Huang, P. Rudquist, D. P. D. J.
Disp. Technol. 6, 94(2010).
[5] R. Brott, R. J. Schultz, SID 2010 Digest, 41, 218 (2010).
[6] I. Susumu, T. Nobuji, I. Morito EP Patent, 0354851(1990).
[7] H. Yoon, et al. Nat. Commun. 2, 455(2011).
[8] J. Harrold, et al. “Sharp Technical Journal 74(1999).
[9] J. Harrold, A. Jacobs, G. J. Woodgate and D. Ezra, Proc SID 20th International Display Research Conference (2000).
윤 현 식
1996 서울대학교 화학공학과 학사 1998 서울대학교 화학공학과 석사 2004 서울대학교 화학공학과 박사 2007 삼성전자 LCD총괄 책임연구원 2010 서울대학교 화학생물공학부 박사후
연구원
2012 서울대학교 화학생물공학부 BK조교수 현 재 서울과학기술대학교 화공생명공학과
조교수
이 혜 민
현 재 서울과학기술대학교 화공생명공학과 재학중
