KAIST, 스마트폰 탑재형 분광기 공개

KAIST 연구팀이 손톱보다 작은 크기의 고해상도 분광기를 개발하는 데 성공했다.

이번에 개발된 기술은 스마트폰 등 모바일 기기에도 내장할 수 있는 형태로, 1나노미터(nm) 수준의 분광 해상도를 구현하며 광학 센서 기술의 새로운 전기를 마련했다.

KAIST 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀은 ‘이중층 무질서 메타표면’을 활용해 기존의 분광 방식과는 전혀 다른 복원 기반 고해상도 분광기 기술을 구현했다고 13일 밝혔다.

특히, 이번 연구는 기존 고정밀 분광기의 부피와 복잡한 구조를 크게 줄여, 실험실이나 산업 현장 외의 일상 속에서도 분광 정보를 쉽게 활용할 수 있는 가능성을 제시했다.

기존 분광기는 빛의 파장을 정확히 측정하기 위해 수십 센티미터에 이르는 대형 구조와 복잡한 교정 절차가 필수였다.

반면, KAIST 연구진은 프리즘이나 회절격자 없이, 광학적으로 설계된 무작위 메타표면 구조를 통해 빛의 정보를 무작위 패턴으로 변환하고 이를 인공지능 기술로 복원해내는 방식을 채택했다.

이 기술의 핵심은 수십-수백 나노미터 수준의 정밀 구조체로 구성된 ‘무질서 메타표면’이다.

빛이 이 구조를 통과하면 파장별로 특이한 스페클 패턴이 생성된다.

이를 단일 카메라 촬영으로 추출해 정확한 파장 정보를 역산할 수 있다.

연구팀은 이를 통해 1cm 미만 폼팩터에서도 가시광부터 적외선까지(440~1300nm)의 광대역 빛을 1nm 해상도로 분광하는 데 성공했다.

장무석 교수는 “R(빨강), G(초록), B(파랑) 3가지 색 성분으로만 구분해서 인식되는 기존 R에서기존의 한계를 뛰어넘는 이 기술 활용 분야도 다양하다. 음식 성분 분석, 농작물 상태 진단, 피부 건강 측정, 환경 오염 감지, 바이오·의료 진단 등 실험실 수준의 기술을 일상 수준의 머신 비전 기술로 지평을 넓힌 기술로 다양한 활용 연구가 기대된다”고 설명했다.

그는 “파장과 공간 정보를 고해상도로 동시에 기록하는 초분광 영상이나, 여러 파장의 빛들을 정밀하게 원하는 형태로 제어하는 3D 광집속 기술, 아주 짧은 시간 동안 일어나는 현상을 포착하는 초고속 이미징 기술 등 다양한 첨단 광학 기술로 확장도 가능하다”고 덧붙였다.

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 5월 28일 자에 게재됐다.

연구에는 KAIST 장무석 교수와 이동구·송국호 박사과정 학생이 참여했다.

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배동현 ([email protected]) 기사제보