Volumetric Display

Volumetric Display(볼류메트릭 디스플레이)는 화면 평면에 깊이감을 “모사”하는 방식이 아니라, 물리적 3차원 공간 내의 특정 위치(x, y, z)에 해당하는 점(복셀, voxel)이 발광·산란·투영되도록 만들어 “부피를 채우는 3D 영상”을 형성하는 디스플레이 기술을 말한다. 체적형 디스플레이라고도 번역되며, 관찰자는 안경 없이도 시점 변화에 따른 시차(모션 패럴랙스 등)와 초점 단서가 더 자연스럽게 제공되는 경우가 많다.

다만 일상적으로 “홀로그램”이라는 표현이 널리 쓰이지만, 기술적으로 체적형 디스플레이는 간섭무늬(홀로그래피)로 빛의 파면을 재현하는 ‘홀로그래피(holography)’와는 구분된다. 체적형 디스플레이는 복셀을 공간에 배치해 3D 형태를 보이게 하는 총칭이며, 구현 수단은 기계적 스윕(swept-volume), 다층 패널, 공기 중 복셀 생성 등으로 다양하다.

1. 개요

체적형 디스플레이의 핵심은 “공간 좌표를 갖는 복셀”이다. 복셀이 실제 3차원 공간의 여러 깊이에 분포하면, 관찰자는 평면 디스플레이에서 흔한 양안 시차 기반 3D와 달리, 관찰 위치에 따라 자연스러운 시점 변화를 경험할 수 있다. 구현 방식에 따라 전방향(또는 제한된 각도)의 관찰이 가능해지며, 다수 관찰자가 동시에 보는 상황에서도 장점이 생길 수 있다.

체적형 디스플레이는 크게 (1) 움직이는 투사면을 이용해 시간적으로 2D 단면을 “쓸어” 3D를 만드는 스윕형(swept-volume), (2) 여러 층의 패널을 쌓아 깊이를 구성하는 다층형(multilayer), (3) 공기·입자·기체·액체 등에서 직접 발광/산란점을 만들어 ‘공간 안’에 복셀을 만드는 자유공간형(free-space)으로 분류해 설명하는 경우가 많다.

2. 구현 방법

2.1 공기를 매질로 이용

공기(또는 공기 중에 존재하는 입자)를 활용하는 방식은 “실제 공간 안에 떠 있는 것처럼 보이는” 효과를 만들 수 있다는 점에서 상징성이 크다. 다만 안전, 밝기, 해상도, 표시 부피, 시스템 복잡도 등에서 제약이 뚜렷해 연구·시연 중심으로 발전해 왔다.

2.1.1 펨토초 레이저 플라즈마

집속된 고출력 펨토초 레이저 펄스를 공기 중 특정 위치에 조사하면, 국소적으로 플라즈마 발광점이 생기며 이를 복셀로 사용할 수 있다. 스캐닝(갈바노 미러 등)과 시간적 누적(잔상)을 결합하면, 공중에 3D 점군 형태의 그래픽을 그리는 것이 가능해진다. 연구에서는 ‘그리기 공간(drawing space)’과 ‘보기 공간(viewing space)’을 분리해 관찰자의 접근성을 높이거나, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)과 빔 스캐닝을 결합해 복셀 배열을 정교화하는 시도도 보고되었다.

2.1.2 광영동(Photophoretic) 트랩

광영동 트랩 기반 체적형 디스플레이는 공기 중의 미세 입자(예: 셀룰로오스 입자)를 빛으로 포획·이동시키고, 이동 경로에 RGB 조명을 동기화해 “움직이는 단일 산란체가 남기는 궤적”을 3D 영상처럼 보이게 만든다. 이 방식은 비교적 낮은 에너지로도 공중 복셀(정확히는 미세 입자의 발광/산란 지점)을 구현할 수 있다는 장점이 있지만, 한 번에 제어 가능한 입자 수, 표시 부피, 궤적 스캔 속도와 안정성이 성능의 병목이 된다.

2.1.3 음파 부유(Acoustic levitation)

초음파 위상 배열 등을 이용해 공중에 작은 입자(수 mm급)를 음향 복사력으로 포획(부유)한 뒤, 이를 빠르게 3D 경로로 이동시키고 색 조명(또는 레이저)을 결합해 체적형 그래픽을 형성하는 방식이 연구되었다. 광영동 트랩과 유사하게 “스캔되는 산란체 + 조명 동기” 구조이지만, 포획 원리가 음향장이므로 광학계 제약이 줄어드는 대신 음향장 형성 범위, 소음, 정밀 제어가 중요한 변수가 된다.

2.2 LED 이용

LED를 이용한 체적형 디스플레이는 대표적으로 스윕형(swept-volume) 구현과 결합된다. 회전하거나 왕복 운동하는 확산면(또는 LED 어레이 자체)을 고속으로 움직이면서, 위치에 맞춰 2D 단면(슬라이스)을 빠르게 갱신하면 잔상 효과로 3D 부피 영상이 형성된다. 상용·시연 사례로는 회전 확산 스크린에 슬라이스를 투사하는 구조(예: Perspecta 계열로 알려진 형태)나, 기계적으로 움직이는 표시면과 슬라이스 렌더링을 결합한 제품군이 보고되었다.

또 다른 계열로는 여러 층의 패널(예: LCD 계열)을 물리적으로 적층해 깊이 단면을 동시에 표현하는 다층형(multilayer) 접근이 있다. 이 방식은 기계적 회전부가 없다는 점에서 구조적 안정성이 장점이 될 수 있으나, 층 수에 따른 두께·투과율·산란·해상도 분배 문제를 동반한다.

3. 문제점

• 해상도와 복셀 밀도 한계: 3차원 부피 전체에 복셀을 채우려면 2D 디스플레이보다 훨씬 많은 주소 지정이 필요하다. 스윕형은 시간 분할로, 공중 복셀 방식은 스캔 속도와 포획 안정성으로 제한을 받는다.
• 밝기·콘트라스트·산란 품질: 공기 중 플라즈마는 강한 발광을 만들 수 있으나 안전 이슈가 크고, 입자 스캔 방식은 산란체 크기·재질과 조명 조건에 따라 밝기와 색 안정성이 달라진다. 다층형은 층이 늘수록 투과 손실과 내부 반사가 증가한다.
• 오클루전(가림)과 불투명도 표현: “공간에 점이 있다”는 사실만으로 자연스러운 가림이 자동으로 해결되지는 않는다. 복셀의 방사 특성과 시점 의존 렌더링이 결합되어야 관찰자 위치에 따른 가림을 설득력 있게 구현할 수 있으며, 구현 난도가 높다.
• 기계적 구조와 소음: 스윕형은 회전·왕복 부품이 필요해 소음, 진동, 내구성, 안전 커버 설계가 중요해진다. 대형화할수록 기계적 부담이 증가한다.
• 안전과 규제: 레이저 플라즈마 방식은 눈·피부 안전, 보호구 및 인터록(차단장치) 등 안전 설계가 핵심이다. 초음파 기반은 음압, 발열, 생체 영향 평가가 뒤따를 수 있다.
• 비용과 콘텐츠 제작: 하드웨어 자체의 복잡도뿐 아니라, 체적 표시 특성에 맞춘 렌더링 파이프라인(슬라이스 생성, 시점/가림 처리, 동기화)과 제작 도구가 필요하다.

4. 기타

4.1 “홀로그램”과의 관계

대중문화에서 체적형 디스플레이는 흔히 홀로그램으로 불리지만, 엄밀한 홀로그래피는 빛의 간섭·회절을 이용해 파면을 기록·재현하는 기술을 가리킨다. 체적형 디스플레이는 복셀을 실제 공간에 배치(또는 시간적으로 쓸어) 3D 형태를 보이게 하는 접근이며, 두 영역은 목적(공간 3D 시각화)은 유사해도 물리적 원리와 구현 계열이 다르다.

4.2 주요 응용 분야

체적형 디스플레이는 여러 사람이 동시에 동일한 3D 데이터를 둘러보며 논의해야 하는 상황에서 가치가 논의되어 왔다. 대표적으로 의료 영상(CT/MRI 기반 3D), 공학 설계 검토, 교육용 시각화, 전시·홍보용 3D 오브젝트 표현 등이 언급된다. 특히 스윕형 상용 사례들은 의료 시각화 및 산업 시각화 맥락에서 자주 소개되어 왔다.

4.3 기술 발전 방향

최근 연구는 (1) 공중 복셀의 안전성 및 색 표현 개선, (2) 스윕형에서의 인터랙션(손이 들어갈 수 있는 표시면 구조 등), (3) 다층형에서의 깊이 연속성 및 투과 효율 개선, (4) 오클루전과 시점 의존 효과를 더 자연스럽게 만드는 광학/렌더링 결합으로 요약될 수 있다.

5. 관련 문서

• 체적형 디스플레이 분류 및 동향: 스윕형, 다층형, 자유공간형 비교
• 공중 복셀(플라즈마) 기반 컬러 체적 표시 및 공간 분리 방법
• 광영동 트랩 기반 자유공간 체적 디스플레이(단일 입자 스캔)
• 음향 포획(음파 부유) 기반 체적 디스플레이(스캔 입자 + 조명)
• 스윕형(회전/왕복 표시면) 체적 디스플레이의 구조와 응용(의료·산업)
• 다층형(multilayer) 3D 디스플레이(적층 패널) 계열 연구

출처

• Volumetric display(정의·분류 개요) — https://en.wikipedia.org/wiki/Volumetric_display
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• 다층형(적층) 3D 디스플레이 계열 연구 예시(Depth-fused / multilayer) — https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-23-12-15848
• 스윕형 체적 디스플레이의 상용·제품 사례(제조사 소개) — https://www.voxon.co/