펨토초 레이저로 만든 터치 가능한 3D 공중 플라즈마 디스플레이 (2015)

• 공기 분자를 이온화해 빛나는 점을 만드는 레이저 유도 플라즈마 디스플레이가 펨토초 레이저를 쓰면서, 손으로 만질 수 있을 만큼 안전한 3D 공중 이미지로 시연됨
• 기존 방식은 적외선 레이저 초점에서 생긴 복셀(voxel) 을 초당 수만~수십만 번 스캔하지만, 나노초 규모 플라즈마 버스트는 피부를 태울 수 있을 만큼 에너지가 큼
• University of Tsukuba, Utsunomiya University, Nagoya Institute of Technology, University of Tokyo 연구진의 Fairy Lights는 수십 펨토초 단위 펄스로 피부 손상 위험을 낮춤
• 같은 지점에 1밀리초마다 한 번씩 2,000밀리초 동안 조사하지 않으면 눈에 띄는 피부 손상이 없다고 봤고, 사용자가 복셀을 만지면 17ms 안에 플라즈마를 끄도록 설계됨
• 시연 공간은 8㎣ 로 매우 작지만 최대 초당 200,000복셀의 시공간 해상도를 보이며, 다른 광학 장치를 쓰면 더 큰 디스플레이로 확장할 수 있다고 봄

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공중에 실제 픽셀을 만드는 방식

• 공중 3D 디스플레이는 오래전부터 과학소설에 등장했지만, 기존 홀로그래픽 기술 다수는 시야각 같은 제약을 광학적 착시로 우회하는 방식에 가까움
• 레이저 유도 플라즈마 디스플레이는 공기 분자를 이온화해 실제 공간에 빛나는 점을 만들기 때문에, 공중에 떠 있는 진짜 픽셀에 가까움
• 기존 기술 사례로 일본 기업 Aerial Burton의 디스플레이가 소개됨
  • 밝게 빛나는 복셀은 적외선 레이저 초점에서 이온화된 공기 분자가 여분의 에너지를 청백색 광자로 방출한 결과임
  • 플라즈마는 오래 지속되지 않아, 레이저가 공기 중 부피를 빠르게 스캔하며 짧게 살아 있는 복셀을 연속 생성함

나노초 플라즈마의 안전 한계

• 기존 레이저 유도 플라즈마 디스플레이는 초당 수만~수십만 번 레이저를 발사해 나노초 규모 복셀을 만들 수 있음
• 나노초 규모 플라즈마 버스트도 상당한 에너지를 담고 있어, 사람이 디스플레이 안으로 지나가면 화상을 입을 수 있음
• 시각적으로는 공중 이미지를 만들 수 있지만, 사용자가 손으로 직접 상호작용하기 어려운 이유가 여기에 있음

Fairy Lights의 펨토초 레이저 접근

• University of Tsukuba, Utsunomiya University, Nagoya Institute of Technology, University of Tokyo 연구진은 Fairy Lights 시스템에서 펨토초 레이저를 사용함
• 각 복셀은 수십 펨토초 동안 펄스하는 레이저로 생성됨
  • 1펨토초는 1초의 1천조분의 1임
• 이처럼 매우 짧은 펄스 지속시간에서는 같은 지점에 1밀리초마다 한 번씩 2,000밀리초 동안 조사하지 않는 한 뚜렷한 피부 손상이 생기지 않는다고 판단함
• Fairy Lights는 노출 시간을 이 임계값보다 충분히 낮게 유지함

터치와 촉각 피드백

• Fairy Lights의 차별점은 생성된 플라즈마를 만질 수 있음에 있음
• 손가락이 플라즈마에 닿으면 빛이 더 밝아지고, 이 변화는 접촉 여부를 알려주는 신호로 활용될 수 있음
• 사용자가 복셀을 만지면 안전을 위해 해당 플라즈마 복셀을 한 프레임 안에 끔
  • 한 프레임은 17ms, 즉 1/60초임
  • 이는 유해 노출 시간으로 제시된 2,000ms보다 충분히 짧음
• 플라즈마 복셀을 만질 때 충격파가 발생해, 손가락에는 빛이 물리적 실체를 가진 것 같은 임펄스가 느껴질 수 있음
• 논문은 정교한 시공간 제어를 통한 플라즈마 촉각 감각의 상세 특성 조사를 범위 밖으로 둠

작은 시연 공간과 확장 가능성

• 사진과 영상에 보이는 디스플레이는 매우 작으며, 작업 공간은 8㎣ 에 불과함
• 시공간 해상도는 비교적 높아 최대 초당 200,000복셀에 도달함
• 이미지 프레임레이트는 표시하려는 이미지에 필요한 복셀 수에 따라 달라짐
• 소비자 제품으로 유용해지려면 디스플레이가 더 커져야 함
• 다른 광학 장치를 사용하면 확장이 가능하다고 봄

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 안전 한계를 약간 넘는 레이저 작업 때문에 한쪽 눈에 가벼운 손상이 생겼고, 그걸 몇 년 뒤에야 알게 됨
  그래서 공기를 이온화할 만큼 강한 비차폐 레이저 근처에는 절대 가고 싶지 않음

  • 전적으로 동의함
    규제가 허술한 값싼 복제품 프로젝터가 길거리에서 얼굴 쪽으로 쏘는 3D 광고 때문에, 실명하지 않으려면 용접용 보안경을 쓰고 다녀야 하는 상황을 떠올리기만 해도 끔찍함
  • LED에서도 비슷한 일을 겪은 것 같음
    초점 중심 바로 근처의 작은 영역이 잘 안 보이는 이상한 느낌이 있고, 예전에 흰색 LED를 다룬 뒤 며칠 동안 눈에 묘한 감각이 남았던 기억이 있음
  • 이 글은 9년 전 기사라서, 아마 위에서 말한 이유 때문에 별 진전이 없었던 것 같음
  • 어떤 종류의 작업이었는지 궁금함
    세척이나 절단 같은 산업 공정이었는지, 아니면 물리/공학 실험대에서 레이저를 쏘는 일이었는지 묻고 싶음

• 연구진 설명대로라면, 펄스 시간이 아주 짧아도 같은 지점에 1밀리초마다 한 번씩 2초 동안 쏘면 피부 손상이 생길 수 있다는 뜻이라, 설정이 충분히 잘못되면 사람을 녹일 수도 있겠다는 생각이 듦

  • 녹인다기보다는 각인에 가까울 것임
    점 크기가 작고 물질 제거 속도도 낮아서 재미있는 일은 아니겠지만 손가락을 날려버릴 정도는 아닐 듯함
  • 표현이 꽤 어색함
    2초마다 1ms 펄스라는 뜻인지 헷갈림
  • 말 그대로 사람을 죽일 수 있는 장치라면, 그 장치용 제로데이는 얼마나 할지 궁금해짐

• 이 기술이 최근 대화에 나와서 지금 어떻게 됐는지 찾아봤는데, 2015년 여름쯤 기사들만 있고 그 이후로는 실질적인 자료를 못 찾겠음
  여러 상황에서 실용적이지 않을 이유는 많겠지만 기술 자체는 유망해 보였음
  이게 왜 사라진 듯 보이는지, 허풍이었는지 정말 비실용적이었는지 자세한 내용을 읽어보고 싶음

  • 대학교 물리학 건물 1층 실험실에 가면, 방 대부분을 차지하는 광학 테이블 위에 펨토초 레이저가 펼쳐져 있을 가능성이 큼
    핵심은 약 25만 달러짜리 파이버 레이저지만 보통 거기에 많은 장비가 더 붙음
    의료용 펨토초 레이저는 약 40만 달러이고, https://crstoday.com/articles/2014-sep/pricing-the-laser-cat... 이런 가격대가 널리 퍼지기 어려운 이유 중 하나일 수 있음
  • 이 기술은 군사 분야에서는 아직 살아 있을 가능성이 높아 보임: https://patents.google.com/patent/US20200041236A1/
    US Navy가 2018년에 제트기에 장착하는 플라스마 미끼 프로젝터 특허를 냈고, 찾지 못한 응용도 훨씬 많을 것 같음
  • 사람들이 신고하던 그 많은 UFO가 아마 이것이었고, 군이 가져갔을 가능성도 있음

• 공기 분자를 이온화해서 빛나는 점을 만드는 레이저 유도 플라스마 디스플레이라는 설명을 보니, 예전 New Scientist 뒤쪽에 있던 Daedalus 칼럼이 떠오름
  대개 실용적이지는 않을 이상하고 멋진 발명품을 다뤘는데, 그중 하나는 거리 양쪽에서 자외선 레이저 쌍을 쏘아 공중에서 교차시키는 가로등 아이디어였음
  두 레이저의 주파수를 약간 다르게 해서 교차점에 낮은 주파수의 맥놀이가 생기게 하고, 그 주파수를 산소 같은 분자의 여기 에너지에 맞추면 산소가 빛을 낸다는 식이었음
  또 기억나는 발명은 식물 호르몬으로 목재 성장을 제어해 안락의자, 탁자, 심지어 집까지 자라게 하는 것이었고, 접착제나 톱이 필요 없다는 내용이었음

  • 그런 방식으로 목재 성장 제어를 하는 건 판타지에서 꽤 흔한 소재이고, 보통 엘프 계열로 나옴
    Wheel of Time의 tree singing도 예시가 될 수 있음
    이산화탄소 격리 관점에서는 꽤 멋지겠지만, 자라는 동안 목재에 적절한 응력이 걸리지 않으면 그렇게 만든 가구나 주택은 쉽게 부서질 가능성이 큼
  • 얼마 전 배양육처럼 실험실에서 키운 목재도 가능할지 생각해봤음
    Minecraft 나무처럼 정해진 치수로 자라는 유전공학 나무도 상상해볼 수 있음

• 몇 년 전 미국 군이 비명을 내는 플라스마 구체로 사람들을 겁주는 기술을 연구한다는 이야기가 떠오름
  그 때문에 CIA가 이 기술로 종교 극단주의자들에게 신이 말하는 것처럼 보이게 하려 한다는 농담도 나왔음
  https://newstarget.com/2018-04-24-u-s-military-creating-non-...

• 이런 장치는 공중에서 플라스마 구체가 계속 생기기 때문에 귀가 찢어질 정도로 시끄럽다고 기억함
  예전 시연에서 그런 느낌이었음

  • 플라스마/레이저 논문을 보니 22mm라는 말도 안 되게 가까운 거리에서 77.2dB라고 나와 있음
    배경 소음은 55.7dB였고, http://arxiv.org/pdf/1506.06668v1 9쪽에 있음
    작동 중인 전체 디스플레이에 머리를 가까이 두면 유쾌하지 않을 듯하고, 특히 소음이 해상도와 밝기에 따라 커진다면 더 그럴 것임
    거리별로 소음이 얼마나 빨리 줄어드는지 보면 흥미로울 듯함
    그 정도 음량이면 가정용 오디오, 진공청소기, 고속도로 교통 소음 사이쯤이라 견딜 수는 있지만 즐겁지는 않음

• 2007년쯤 IO2 Heliodisplay를 기억함
  지금은 사이트가 죽은 것 같음
  “이 홀로그래픽 스타일 디스플레이는 미세한 물방울 구름에 2D 이미지를 투사해 동작한다”는 설명이 있었음
  https://www.techpowerup.com/forums/threads/io2-launches-%E2%...

  • 처음 공개됐던 2000년대 초 기준으로 정말 멋진 기술이라 오래 지켜봤지만, 결국 별다른 진전은 없어 보였음
    처음에는 물방울 화면에 투사하는 것에 불과하다고 사람들이 생각할까 봐 수증기 사용 사실을 꽤 숨겼고, 뭔가 지향성 레이저 기술이 있는 듯한 분위기를 냈음
    그래도 물은 필요했음
    왜 탄력을 못 받았는지 추측하자면 비용을 통제하지 못했거나 밝기를 충분히 끌어올리지 못했을 것 같지만, 어디까지나 추측임

• 이걸 안전하게 구현하기는 꽤 어려움
  적외선 펨토초 레이저로 공기 절연 파괴를 만들려면 상당한 에너지 밀도가 필요함
  아마 갈바노 스캐너로 빔을 xy 방향으로 움직였겠지만, 필요한 강도를 얻으려면 초점면도 함께 옮겨야 함
  자동차에서 떨어진 거리로 투사한다면 개구수가 낮아져 상당한 출력이 필요하고, 그래서 1kHz로 돌린 것일 가능성이 큼
  2015년 기술이라면 아마 80fs 티타늄 사파이어 레이저, 갈바노, Optotune 렌즈 조합이었을 것임
  이게 널리 쓰이지 않는 이유는 눈에 안전하게 만들기 매우 어렵기 때문임

• 약 15년 전 YouTube에 올라왔던 Laser Induced Plasma Channel이라는 수수께끼 영상에 쓰인 기술도 늘 비슷하게 궁금했음
  펨토초 레이저로 복도 너머 전기 아크를 유도하는 접근 거부 무기처럼 보였고, 미터 길이의 말도 안 되게 곧은 Taser 방전 같은 느낌이었음
  영상에는 설명이 없었고 댓글에도 답이 달리지 않았으며, 최근 업로더가 삭제했지만 9년 전 DailyMotion 재업로드가 남아 있는 듯함
  [1] https://www.dailymotion.com/video/x31ovvi

• 이 프로젝트에 관심이 있다면 Voxon Photonics의 비슷하게 멋진 프로젝트도 볼 만함
  지금 구매할 수 있고 안전성도 높음
  [0]: https://voxon.co/