이번 연구를 수행한 KAIST 장무석(왼쪽부터) 교수, 이동구·송국호 박사과정.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 스마트폰에 내장할 수 있는 1nm(나노미터) 수준의 고해상도를 구현하는 신개념 분광기 기술을 개발했다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 이중층 무질서 메타표면을 이용한 복원 기반 분광기 기술을 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

기존 고분해능 분광기는 수십 센티미터 수준으로 폼 팩터가 크고, 정확도를 유지하기 위한 복잡한 교정 과정이 필요하다. 때문에 빛의 색 정보가 일상 전반에 유용하게 활용될 수 있음에도 분광 기술은 실험실이나 산업 제조 현장 수준으로 그 활용성이 제한되고 있다.

연구팀은 빛의 색 정보를 빛의 진행 방향으로 일대일 대응시키는 회절격자나 프리즘을 사용하는 기존의 분광 패러다임에서 벗어나 설계된 무질서 구조를 광학 부품으로 활용하는 방식을 고안했다. 이때 ‘복잡한 무작위적 패턴’을 정확하게 구현하기 위해 수십-수백 나노미터 크기의 구조체를 활용해 빛의 전파 과정을 자유롭게 조절할 수 있는 메타표면을 활용했다.

구체적으로, 이중층 무질서 메타표면을 구현하여 파장 특이적인 방식으로 스페클 패턴을 생성하고, 카메라로 측정된 무작위 패턴을 보고 그 빛의 정밀한 색 정보(파장)를 복원 해내는 방식을 개발했다.

무질서 메타표면 확대 이미지. 1 cm 미만의 폼 팩터에서도 1 nm 수준의 분광 해상도를 달성할 수 있다.[KAIST 제공]

그 결과, 단 한장의 영상 촬영만으로 손톱보다 작은(1cm 미만) 장치에서 1 나노미터(nm) 수준의 고해상도로 가시광-적외선(440~1300nm) 범대역의 빛을 정확하게 측정하는 신개념 분광기 기술을 개발하는 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 말했다.

이어 “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 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 5월 28일 게재됐다.