DVD는 어떤 원리로 정보를 기록할까? ver2

DVD는 어떤 원리로 정보를 기록할까? — 작은 원반에 담긴 과학의 비밀

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어릴 적 비디오 대여점에서 빌려온 테이프를 되감기하던 기억이 있으신가요? 저도 그랬습니다. 테이프가 꼬이기라도 하면 손으로 조심조심 풀어야 했고, 화질도 볼 때마다 조금씩 나빠지는 것 같았어요. 그런데 어느 날 갑자기 반짝이는 원반 하나가 세상을 바꿔놓았습니다. 바로 DVD였죠.

솔직히 처음 DVD를 접했을 때 신기했습니다. 이 얇디얇은 원반 하나에 어떻게 2시간짜리 영화가 통째로 들어갈 수 있는 걸까요? 그것도 VHS 테이프보다 훨씬 선명한 화질로요. 궁금해서 찾아보다 보니 DVD 뒤에 숨어있는 과학적 원리가 꽤 흥미롭더라고요. 오늘은 그 이야기를 해볼까 합니다.

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DVD의 탄생 — 경쟁 속에서 피어난 표준

DVD 이야기를 하려면 1990년대 중반으로 거슬러 올라가야 해요. 당시 CD는 이미 음악 시장을 평정한 상태였습니다. 하지만 문제가 있었어요. CD의 700MB 용량으로는 고화질 영화 한 편을 담기가 턱없이 부족했거든요.

그래서 세계 유수의 전자회사들이 차세대 광디스크 개발에 뛰어들었습니다. 한쪽에는 소니와 필립스가 있었고, 다른 쪽에는 도시바, 히타치, 마츠시타(지금의 파나소닉) 같은 일본 기업들이 연합을 형성했어요. 소니-필립스 진영은 '멀티미디어 콤팩트 디스크(MMCD)'라는 규격을 밀었고, 도시바 진영은 '슈퍼 덴시티 디스크(SD)'라는 독자 규격을 개발하고 있었습니다.

잠깐, 이 상황 어디서 많이 본 것 같지 않으세요? 맞습니다. 1980년대 VHS와 베타맥스의 포맷 전쟁이 떠오르시죠. 그때 소비자들이 얼마나 혼란스러워했는지 업계도 잘 알고 있었어요. 또다시 그런 일이 벌어지면 시장 자체가 위축될 수 있다는 위기감이 팽배했습니다.

결국 1995년 9월, 양 진영이 전격적으로 합의에 이르렀습니다. 서로의 기술을 융합해 단일 규격을 만들기로 한 거예요. 이렇게 탄생한 것이 바로 DVD입니다. 재미있는 건, 최종 규격은 대부분 도시바 진영의 방식을 따랐다는 점이에요. 기술의 우수성보다 '소비자가 원하는 것이 무엇인가'에 집중했던 도시바 진영의 전략이 통한 셈이죠.

DVD는 원래 'Digital Video Disc'의 약자였습니다. 하지만 시간이 지나면서 영상뿐 아니라 게임, 소프트웨어, 데이터 저장 등 다양한 용도로 쓰이게 되자 'Digital Versatile Disc', 즉 '디지털 다기능 디스크'로 의미가 확장되었어요. 2000년 DVD 포럼에서도 공식적으로 이 명칭을 채택했습니다.

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영상이 디스크에 담기는 원리 — 플립북을 떠올려 보세요

자, 이제 본론으로 들어가 볼게요. DVD에 영상이 어떻게 저장되는지 이해하려면, 먼저 동영상이 무엇인지부터 생각해봐야 합니다.

혹시 어릴 때 공책 귀퉁이에 그림을 그려놓고 빠르게 넘기며 놀아본 적 있으세요? 막대 인간이 걷거나 뛰는 것처럼 보이게 하는 그거요. 이걸 '플립북'이라고 하는데, 사실 동영상의 원리가 딱 이거예요. 정지된 이미지 수십, 수백 장을 빠르게 연속으로 보여주면 우리 눈에는 움직이는 것처럼 보이는 거죠.

영화나 TV 프로그램도 마찬가지입니다. 보통 초당 24프레임에서 30프레임, 요즘 게임이나 스포츠 중계는 60프레임까지도 사용하는데요. 이 말은 1초에 24장에서 60장의 이미지가 연속으로 재생된다는 뜻이에요.

그런데 여기서 문제가 생깁니다. 압축하지 않은 상태로 이 이미지들을 저장하려면 얼마나 많은 공간이 필요할까요? 한번 계산해볼게요.

Full HD(1920×1080) 해상도의 영상을 생각해봅시다. 한 프레임당 픽셀 수는 약 207만 개입니다. 각 픽셀이 풀컬러를 표현하려면 약 3바이트(24비트)가 필요하니까, 한 프레임의 용량은 대략 6MB 정도가 됩니다. 이걸 초당 30프레임으로 재생한다고 치면? 1초에 약 180MB, 1분이면 10.8GB, 2시간짜리 영화 한 편이면... 무려 1,296GB, 즉 1.3TB가 필요해요.

4.7GB밖에 안 되는 DVD에 이런 영상을 담는 건 당연히 불가능하죠. 그래서 압축 기술이 필수입니다.

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MPEG-2 압축 — 똑똑하게 데이터를 줄이는 방법

DVD는 MPEG-2라는 압축 기술을 사용합니다. 1990년대 초반 동화상전문가그룹(MPEG, Moving Picture Experts Group)이 개발한 이 기술은 디지털 방송과 DVD의 표준 코덱으로 채택되었어요. 지금도 많은 방송에서 이 방식을 쓰고 있습니다.

MPEG-2의 핵심 아이디어는 생각보다 직관적이에요. 바로 "변하지 않는 건 다시 저장하지 않는다"는 겁니다.

영화를 떠올려보세요. 대사 장면에서 배우 두 명이 서로 이야기를 나누고 있다고 합시다. 배경은 거의 변하지 않죠? 벽, 소품, 조명 같은 건 그대로인데 움직이는 건 배우들의 입과 표정 정도예요. 이럴 때 매 프레임마다 배경까지 전부 새로 저장하는 건 엄청난 낭비입니다.

그래서 MPEG-2는 세 가지 종류의 프레임을 사용해요.

첫째는 I-프레임(Intra-coded frame)입니다. 이건 한 장면을 온전히 담고 있는 기준 프레임이에요. 다른 프레임을 참조하지 않고도 독립적으로 재생할 수 있습니다. 대신 용량이 제일 큽니다.

둘째는 P-프레임(Predicted frame)이에요. 이전 프레임(주로 I-프레임이나 다른 P-프레임)과 비교해서 달라진 부분만 저장합니다. "앞에 있던 그 장면에서 이 부분만 이렇게 바뀌었어"라고 기록하는 거죠. I-프레임의 약 10% 정도 용량밖에 안 된다고 해요.

셋째는 B-프레임(Bidirectionally predicted frame)입니다. 이건 더 똑똑해요. 이전 프레임과 다음 프레임을 동시에 참조해서 변화를 예측합니다. 그래서 압축률이 가장 높아요. I-프레임의 2% 정도밖에 안 된다고 하니 정말 효율적이죠.

이 세 가지 프레임이 일정한 패턴으로 배열된 것을 GOP(Group of Pictures)라고 합니다. 예를 들어 'IBBPBBPBBPBBI...' 이런 식으로 구성되는 거예요. 이렇게 하면 화질을 크게 희생하지 않으면서도 용량을 획기적으로 줄일 수 있습니다.

여기에 더해서 움직임 보상(Motion Compensation) 기술도 사용돼요. 화면 속 물체가 어디서 어디로 움직였는지 벡터 값으로 기록해두면, 물체 자체를 다시 저장하지 않아도 됩니다. "저기 있던 공이 여기로 이동했어"라고만 적어두면 되니까요.

또한 이산 코사인 변환(DCT, Discrete Cosine Transform)이라는 수학적 기법으로 이미지 데이터를 주파수 성분으로 분해한 뒤, 사람 눈에 잘 안 보이는 고주파 성분을 과감하게 버리기도 합니다. 우리 눈은 미세한 색상 변화보다 밝기 변화에 더 민감하거든요. 이런 시각적 특성을 이용한 거예요.

이 모든 기법을 동원하면 원본 대비 50배에서 200배까지 압축이 가능해집니다. 덕분에 2시간짜리 영화도 4.7GB DVD 한 장에 거뜬히 담을 수 있게 된 거죠.

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피트와 랜드 — 빛으로 읽는 디지털 신호

자, 압축된 데이터가 만들어졌습니다. 이제 이걸 DVD에 어떻게 기록하느냐의 문제가 남았네요.

DVD 뒷면을 가만히 들여다보신 적 있으세요? 빛에 비춰보면 무지갯빛으로 반짝거리는데, 자세히 보면 희미하게 동심원 같은 패턴이 보입니다. 사실 이건 동심원이 아니라 아주 가느다란 나선형 트랙이에요. DVD 한 장에 이 트랙이 얼마나 길게 감겨있는지 아세요? 펴면 무려 12km가 넘습니다. 서울 강남에서 여의도까지보다 더 긴 거리가 이 작은 원반 안에 빙글빙글 감겨있는 셈이에요.

이 트랙 위에는 눈에 보이지 않는 아주 미세한 요철이 새겨져 있습니다. 움푹 패인 부분을 피트(Pit), 평평한 부분을 랜드(Land)라고 불러요. DVD의 피트 크기는 가장 작은 것이 0.4마이크로미터(μm) 정도입니다. 사람 머리카락 굵기가 보통 70~100μm니까, 그것의 1/200도 안 되는 크기인 거죠. 육안으로는 절대 볼 수 없는 세계입니다.

그런데 여기서 흔히 오해하는 부분이 있어요. 많은 분들이 "피트가 1이고 랜드가 0이다"라고 생각하시는데, 사실은 조금 다릅니다. 실제로 데이터를 나타내는 건 피트와 랜드 사이의 경계면이에요. 경계면에서 레이저 빛의 반사율이 급격하게 변하는데, 이 변화를 감지해서 1과 0을 구분하는 겁니다. 즉, 경계면이 있으면 1, 경계면 없이 피트나 랜드가 계속 이어지면 0인 식이죠.

왜 이렇게 복잡하게 할까요? 직접 높낮이로 0과 1을 정하면 더 단순할 텐데요. 그 이유는 신호의 안정성 때문입니다. 피트 안에서도 레이저 반사율이 미세하게 변할 수 있거든요. 경계면의 급격한 변화를 기준으로 삼으면 훨씬 정확하게 데이터를 읽을 수 있어요.

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레이저가 데이터를 읽는 방법 — 적색 빛의 춤

DVD 플레이어 안에는 아주 작은 레이저 장치가 들어있습니다. 이 레이저는 650nm(나노미터) 파장의 적색 빛을 내뿜어요. 왜 하필 빨간색이냐고요? 여기에도 물리학적 이유가 있습니다.

빛의 파장이 짧을수록 더 작은 점에 초점을 맞출 수 있어요. 이걸 '회절 한계'라고 하는데, 쉽게 말해서 파장이 짧으면 더 정밀하게 읽고 쓸 수 있다는 뜻이에요. DVD 이전의 CD는 780nm 파장의 적외선 레이저를 사용했습니다. DVD가 650nm의 더 짧은 파장을 쓰니까, 같은 면적에 더 많은 피트를 새길 수 있게 된 거죠. 그래서 CD는 700MB인데 DVD는 4.7GB나 되는 겁니다.

레이저가 DVD 표면에 닿으면, 랜드에서는 빛이 고스란히 반사되어 돌아옵니다. 그런데 피트에서는 빛이 들어갔다 나오는 과정에서 경로 차이가 생겨요. 피트의 깊이는 레이저 파장의 1/4에 해당하도록 정밀하게 설계되어 있습니다. 덕분에 피트에서 반사된 빛과 피트 주변에서 반사된 빛 사이에 위상 차이가 생기고, 이 두 빛이 서로 상쇄 간섭을 일으켜 반사광의 세기가 약해집니다.

플레이어 안의 포토다이오드는 이 반사광의 세기 변화를 전기 신호로 바꿉니다. 신호가 강하면 랜드, 약하면 피트를 지나가고 있는 거예요. 그리고 신호가 급격하게 변하는 지점에서 1을 읽어들이는 거죠.

디스크는 읽는 동안 분당 수백에서 수천 회 회전합니다. 흥미로운 건, 회전 속도가 일정하지 않다는 점이에요. 데이터 읽는 속도를 일정하게 유지하기 위해서 디스크 안쪽을 읽을 때는 빠르게, 바깥쪽을 읽을 때는 느리게 회전해요. 이걸 'CLV(Constant Linear Velocity)' 방식이라고 합니다. 디스크의 선속도, 즉 레이저가 지나가는 트랙의 실제 이동 속도를 일정하게 유지하는 방식인 거죠.

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기록형 DVD는 어떻게 작동할까요?

지금까지 설명한 건 공장에서 찍어낸 DVD-ROM, 즉 읽기 전용 DVD 이야기였어요. 그런데 우리가 집에서 굽는 DVD-R이나 DVD-RW는 어떻게 작동할까요?

기록형 DVD 표면에는 특수한 유기 염료 층이 발라져 있습니다. 빈 상태에서는 이 염료가 균일하게 빛을 반사해요. 여기에 데이터를 기록하려면 레이저의 출력을 높여서 염료를 태워야 합니다.

네, '태운다'고 했어요. 그래서 CD나 DVD를 만든다는 걸 영어로 'burn'이라고 하는 거예요. "CD 굽는다"라는 표현, 실제로 열로 지지는 거였던 겁니다. 고출력 레이저가 염료에 닿으면 그 부분의 화학적 구조가 변하면서 반사 특성이 달라져요. 이렇게 만들어진 자국이 피트 역할을 하는 거죠.

DVD-RW처럼 여러 번 쓸 수 있는 디스크는 조금 다릅니다. 염료 대신 상변화 물질을 사용해요. 레이저 열을 가하면 물질의 결정 구조가 변했다가, 다른 조건으로 열을 가하면 다시 원래대로 돌아갑니다. 결정 상태와 비결정 상태 사이를 왔다 갔다 할 수 있어서, 데이터를 지우고 다시 쓸 수 있는 거예요. 파이오니어에 따르면 DVD-RW는 대략 1,000번 정도 다시 쓸 수 있다고 합니다.

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블루레이는 뭐가 다른가요?

DVD 이야기를 하다 보면 자연스럽게 블루레이로 넘어가게 되죠. 2003년부터 시판된 블루레이 디스크는 DVD의 후속 규격인데요, 가장 큰 차이점은 레이저의 색깔입니다.

DVD가 650nm 적색 레이저를 쓴다면, 블루레이는 405nm 청자색 레이저를 사용해요. 파장이 훨씬 짧죠? 앞서 말했듯이 파장이 짧으면 더 작은 점에 초점을 맞출 수 있습니다. 그래서 피트 크기도 더 작게, 트랙 간격도 더 좁게 만들 수 있어요. 같은 크기의 디스크에 훨씬 많은 데이터를 담을 수 있게 된 거죠.

숫자로 보면 차이가 확연합니다. DVD 싱글 레이어가 4.7GB인데, 블루레이 싱글 레이어는 25GB예요. 5배가 넘는 용량 차이입니다. 듀얼 레이어 기준으로는 DVD가 8.5GB, 블루레이가 50GB고요. 나중에 나온 BDXL 규격은 3~4층을 쌓아서 100GB에서 128GB까지도 담을 수 있습니다.

참고로 '블루레이'라는 이름이 'Blue-ray'가 아니라 'Blu-ray'인 이유 아세요? 'Blue-ray Disc'로 상표 등록하려 했는데, 'blue ray'가 일반 명사라서 거절당했대요. 그래서 e를 빼고 등록했다는 재미있는 뒷이야기가 있습니다.

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광디스크 기술의 진화 — 한눈에 정리

지금까지 내용을 표로 정리해볼게요.

구분	CD	DVD	Blu-ray
등장 연도	1982년	1996년	2003년
레이저 파장	780nm (적외선)	650nm (적색)	405nm (청자색)
싱글 레이어 용량	700MB	4.7GB	25GB
듀얼 레이어 용량	없음	8.5GB	50GB
최소 피트 길이	0.83μm	0.4μm	0.15μm
트랙 간격	1.6μm	0.74μm	0.32μm

파장이 짧아질수록 피트와 트랙이 촘촘해지고, 용량이 기하급수적으로 늘어나는 게 보이시죠? 기술의 발전이란 게 이렇게 물리적 한계를 조금씩 밀어붙이는 과정인 것 같아요.

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DVD, 그리고 디지털 저장 매체의 미래

2003년 미국에서 DVD 판매량이 VHS를 처음으로 역전했을 때, 사람들은 DVD가 영원할 줄 알았습니다. 하지만 기술의 발전은 생각보다 빨랐어요. 블루레이가 등장하고, 인터넷 속도가 빨라지면서 스트리밍 서비스가 대세가 되었죠. 넷플릭스, 왓챠, 디즈니+... 요즘은 물리적인 디스크 없이도 얼마든지 고화질 영상을 볼 수 있습니다.

그래서 DVD는 이제 끝난 기술일까요? 꼭 그렇지만은 않습니다. 인터넷 연결 없이도 콘텐츠를 즐길 수 있다는 점, 한 번 기록하면 데이터가 변조될 위험이 적다는 점, 물리적으로 소유할 수 있다는 점에서 여전히 광디스크의 가치는 있어요. 특히 기업이나 기관에서 장기 보관용 아카이브로 많이 활용됩니다.

게다가 광디스크 기술 자체는 계속 발전하고 있어요. 최근에는 다층 구조와 홀로그래픽 기술을 결합해서 TB(테라바이트) 단위의 광디스크를 개발하는 연구도 진행 중입니다.

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마치며 — 작은 원반 안의 거대한 과학

오늘 DVD의 원리에 대해 함께 살펴봤는데요, 어떠셨나요? 저는 이 글을 준비하면서 새삼 놀랐습니다. 이렇게 익숙한 물건 하나에도 압축 알고리즘, 레이저 물리학, 나노 단위의 정밀 가공 기술, 광학 설계 등 수많은 과학과 공학이 녹아있더라고요.

그냥 "재생 버튼 누르면 영화 나오는 원반"이라고만 생각했던 DVD가, 사실은 이렇게 많은 사람들의 연구와 노력이 집약된 결과물이었던 겁니다. 다음에 DVD를 보시게 되면 그 반짝이는 뒷면을 한 번 더 들여다보세요. 그 안에 12km 길이의 나선형 트랙이 감겨있고, 수십억 개의 미세한 피트가 레이저를 기다리고 있다는 걸 떠올리면, 왠지 이 작은 원반이 조금 달라 보이지 않을까요?

기술은 때로 우리에게 당연한 것처럼 다가오지만, 그 안에는 늘 경이로운 과학이 숨어있습니다. 그걸 발견하는 재미가 과학의 매력이 아닐까 생각해봅니다.

읽어주셔서 감사합니다.

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출처 및 참고자료

• 과학잡학사전 통조림
• 위키백과 한국어판 (DVD, MPEG-2, 블루레이 디스크)
• 나무위키 (DVD, Blu-ray Disc, 광픽업)
• DVD 포럼 공식 자료
• MDN Web Docs - 웹 비디오 코덱 가이드