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착용만으로 망막 검사 가능한 OLED 콘택트렌즈 세계 최초 구현
ERG(망막전위도, Electroretinography)는 망막의 기능이 정상적으로 작동하는지 측정할 수 있는 안과 진단법으로, 유전성 망막질환 진단이나 망막 기능 저하 여부 등 검사에 폭넓게 활용된다. 한국 연구진이 지금까지는 어두운 공간에 고정형 장비를 이용했던 기존 망막 진단 방식을 대체할 ‘초박막 OLED’를 탑재한 무선으로 구동되는 차세대 안과 진단 기술을 개발했다. 이번 기술은 향후 근시 치료, 안구 생체신호 분석, 증강현실(AR) 시각 전달, 광 기반 뉴로자극 등 다양한 분야로 응용이 가능할 것으로 기대된다.
우리 대학 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 서울대분당병원(원장 송정한) 우세준 교수, POSTECH(총장 김성근) 한세광 교수, ㈜ PHI 바이오메드(대표이사 한세광), 국가과학기술연구회(NST 이사장 김영식) 산하 한국전자통신연구원(ETRI, 원장 방승찬)과의 공동연구를 통해, 유기발광다이오드(OLED)를 활용한 세계 최초의 무선 콘택트렌즈 기반 웨어러블 망막 진단 플랫폼을 개발했다고 12일 밝혔다.
이 기술은 큰 특수 광원 설치 없이 렌즈 착용만으로도 망막전위검사를 수행할 수 있어, 기존 복잡한 안과 진단 환경을 획기적으로 간소화할 수 있다.
기존 ERG는 고정형 Ganzfeld(대형 망막전위도(ERG) 검사기) 장비를 이용해 어두운 방 안에서 환자가 눈을 뜨고 정지한 상태로 검사를 받아야만 했다. 이는 공간적 제약뿐 아니라 환자 피로도와 협조도의 문제를 수반했다.
공동 연구팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해, 머리카락보다 6~8배 얇은 초박막 유연 OLED(두께 약 12.5 μm*)를 ERG용 콘택트렌즈 전극에 집적하고, 무선 전력 수신 안테나와 제어 칩을 함께 탑재해 독립 구동이 가능한 시스템을 완성했다.
*12.5 μm: 머리카락의 평균 두께가 약 70~100μm이므로, 이 OLED는 머리카락보다 6~8배 얇음
특히 전력 전송에는 안정적인 무선 통신에 적합한 433MHz 공진 주파수를 이용한 무선 전력 전송을 채택하고, 이를 스마트폰과 연동되는 수면안대 형태의 무선 컨트롤러로 구현해 실사용 가능성을 높였다.
기존 빛을 눈에 쏘이도록 개발되고 있는 스마트 콘택트렌즈형 광원은 대부분 무기 LED를 활용했으나, 딱딱한 형태의‘무기 LED’는 점광원(한 점에서 너무 강하게 빛이 나옴) 특성으로 인해 열 집적 문제에 취약하므로, 사용 가능한 광량에 한계가 있을 수 밖에 없다.
이에 반해 OLED는 면광원으로, 넓고 균일한 조사가 가능하며, 저휘도 조건에서도 충분한 망막 반응을 유도할 수 있다. 실제 본 연구에서는 비교적 낮은 밝기의 126니트(nit)의 휘도* 조건에서도 안정적인 ERG 신호를 유도, 기존 상용 광원과 동등한 수준의 진단 신호를 확보했다.
*휘도: 어떤 표면이나 화면이 얼마나 밝게 빛을 내는지를 나타내는 수치로 스마트폰 화면 밝기는 약 300~600 nit (최대 1000 nit 이상 가능)임
동물실험 결과, OLED 콘택트렌즈를 착용한 토끼의 눈에서 표면 온도가 27°C 이하로 유지돼 눈을 덮고 있는 각막에 열로 인한 손상을 주지 않았고, 고온 다습한 환경에서도 빛을 내는 성능이 유지됨으로써 실제 임상 환경에서도 유효하고 안정적인 ERG 검사 도구가 될 수 있음을 입증했다.
유승협 교수는 "초박막 OLED의 유연성과 확산광 특성을 콘택트렌즈에 접목한 것은 세계 최초의 시도이며, 이번 연구는 기존 스마트 콘택트렌즈 기술을, 빛을 이용한 접안형 광 진단·치료 플랫폼으로 확장하는 데 도움이 될 것”이라며 "디지털 헬스케어 기술 확대에 도움이 될 수 있으면 좋겠다”고 밝혔다.
우리 대학 심지훈 박사, 채현욱 박사, 김수본 박사가 공동 제 1저자로 ㈜PHI 바이오메드의 신상배 박사와 협력해 핵심적 역할을 담당했으며, 유승협 교수(KAIST 전기및전자공학부), 한세광 교수(POSTECH 신소재공학과), 우세준 교수(서울대학교 분당병원)가 교신저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 권위지 에이시에스 나노(ACS Nano)에 온라인으로 5월 1일에 게재되었다.
※논문 제목: Wireless Organic Light-Emitting Diode Contact Lenses for On-Eye Wearable Light Sources and Their Application to Personalized Health Monitoring
※DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18563
※ 관련 연구 동영상: http://bit.ly/3UGg6R8
2025.08.12
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빛을 완전히 조절할 수 있는 메타렌즈 개발
우리 대학 신소재공학과 신종화 교수 연구팀이 빛의 세 가지 주요 특성인 세기, 위상, 편광을 동시에 모두 조절할 수 있는 유니버설 메타표면(universal metasurface)을 개발했다고 2일 밝혔다.
단일 소자로 빛의 세기, 위상, 편광을 모두 자유로이 조절할 수 있는 기술은 갈릴레이가 망원경으로 목성의 위성을 관측했던 광학 분야의 시초부터 제임스웹 망원경으로 130억 년 전 우주를 볼 수 있게 된 현재까지 풀리지 않는 난제로 남아있었다. 최근, 마이크로미터 이하 크기의 인공적인 구조체들을 유리 등 기존 소재 표면을 따라 배열해 빛의 특성을 높은 자유도로 조절할 수 있는 메타표면이 이러한 난제를 해결할 수 있는 기술이 될 수 있다는 기대감으로 관련 연구가 세계 여러 대학과 연구소, 기업에서 경쟁적으로 이뤄지고 있다.
이러한 메타표면은 현재 안경 두께의 천 분의 일인 수 마이크로미터 수준의 얇은 두께만으로도 렌즈의 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 편광판, 컬러필터 등 기존 다른 광학 부품들의 기능도 동시에 수행할 가능성을 갖고 있어서 여러 종류의 광학필름이 필수적으로 들어가는 OLED 등 현재 상용 디스플레이의 두께를 현저히 줄이고 공정을 단순화시키거나 동영상 홀로그램, 증강현실(AR) 글래스, 라이다(LiDAR) 등의 새로운 응용의 광학 부품들에도 널리 적용될 수 있는 다재다능한 기술로 관심을 받고 있다.
하지만, 현재까지 보고된 메타표면들은 여전히 특정 색의 빛이 가지는 세 가지 특성 중 일부분만을 동시에 조절(예: 위상과 편광 또는 위상과 세기 등)할 수 있어, 하나의 소자로 세 특성을 완전히 조절하는 문제는 해결되지 못한 숙제로 남아있었다.
연구팀은 행렬과 관련된 수학적 원리에 착안해, 밀접한 두 층으로 이뤄진 유전체 메타표면이 빛의 세 가지 주요한 특성을 완벽히 조절할 수 있음을 이론적으로 밝히고, 이를 실험적으로 규명했다. 특히, 기존에 단일 소자로 불가능했던 벡터 홀로그램들을 제안하고 최초로 구현하는 데 성공했다. 학문적으로는 메타표면의 편광 선택적인 특성을 통해 맥스웰 방정식을 만족하는 두 가지 독립적인 임의의 3차원 전자기장 분포를 구현하는 방법을 최초로 보였다는 점에서 이번 연구는 큰 의의를 갖는다.
또한, 연구진은 유니버설 메타표면과 일반 렌즈의 조합만으로 임의의 편광 선택적인 선형 광학계의 구현이 가능함을 이론적으로 입증했는데, 이는 푸리에 변환 등을 포함한 복잡한 수학적 연산이나 데이터 처리를 광학적으로 간단하게 구현할 수 있음을 의미한다. 한 가지 예시로 연구팀은 확률론적 양자 CNOT 게이트 배열을 유니버설 메타표면과 렌즈만을 사용해 만들 수 있음을 보였으며, 이러한 원리는 양자 광학 뿐만 아니라, 광 통신, 광 신경망을 이용한 기계학습 기반 안면인식 등 여러 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
연구진은 "이번 연구를 통해 광학 분야의 오랜 난제였던 빛의 세기, 위상, 편광의 완전한 조절을 해결했을 뿐만 아니라, 이를 바탕으로 모든 편광 선택적인 선형 광학계 구현이 이론적으로 가능함을 밝혔다ˮ며, 이어 "이번 연구에서 제안한 메타표면의 가능성을 활용하여 기존 한계를 극복한 응용 광소자를 적극적으로 개발할 계획ˮ이라고 언급했다.
신소재공학과 장태용 박사와 정준교 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 지난 11월 3일 字 출판됐다. (논문명 : Universal Metasurfaces for Complete Linear Control of Coherent Light Transmission).
한편 이번 연구는 한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업 및 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.12.02
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스마트폰으로 전시물을 투시한다, 매직렌즈 증강현실 '원더스코프' 개발
우리 대학 산업디자인학과 이우훈 교수 연구팀과 전산학부 이기혁 교수 연구팀이 사물 표면에서 그 내부를 투시하게 하는 새로운 증강현실 장치 원더스코프(WonderScope)를 개발했다고 13일 밝혔다. 스마트폰에 원더스코프를 장착하고 블루투스로 연결한 다음 앱을 켜면 매직 렌즈처럼 전시물 내부를 투시할 수 있다.
요즘 과학관을 방문하면 스마트폰이나 태블릿으로 증강현실 앱을 종종 체험할 수 있다. 앱은 실제 전시물에 디지털 정보를 추가함으로써 색다른 관람 경험을 제공한다. 이때 관람객들은 전시물과 어느 정도 거리를 두고 모바일 화면을 바라보아야 한다. 따라서 전시물 자체보다는 화면 속 디지털 콘텐츠에 집중하는 현상이 벌어지곤 한다. 전시물과 모바일 기기 사이의 거리, 그리고 그사이에서의 주의 분산 때문에 증강현실 앱은 전시물로부터 오히려 관람객을 멀어지게 하는 원인이 되기도 한다. 이 문제를 해결하기 위해 전시물 표면에서 내부를 투시하는 매직 렌즈 증강현실이 필요한 것이다.
이를 위해 스마트폰은 전시물 표면 어디에 위치하는지 파악해야 한다. 통상 스마트폰 위치 파악을 위해 전시물 내부나 외부에 인식 장치를 추가로 설치하거나, 전시물 표면에 특수 패턴을 인쇄해야 한다. 이 경우 전시물 외관이 복잡해지고 공간 구성에 많은 제약이 있어 현실적으로 전시물 표면에서의 매직 렌즈 증강현실 구현은 쉽지 않다.
원더스코프는 전시물 표면에서 스마트폰의 위치를 휠씬 실용적인 방법으로 파악한다. 우선 전시물 표면에 부착된 작은 RFID 태그를 읽어 그 위치를 파악하고, 두 가지 광학적 변위 센서와 가속도 센서를 기반으로 상대적 이동량을 더함으로써 움직이는 스마트폰의 위치를 계산한다. 연구팀은 스마트폰의 높이와 전시물 표면 특성도 감안해 최대한 정확하게 위치를 계산하도록 연구했다. 과학관 전시물에 RFID 태그를 부착하거나 내장시키면 관람객들이 스마트폰으로 매직 렌즈와 같은 증강현실 효과를 쉽게 체험할 수 있도록 한 것이다.
원더스코프의 폭넓은 활용을 위해 다양한 전시물 표면에서 위치 파악이 가능해야 한다. 이를 위하여 원더스코프는 두 가지 상호보완적인 특성의 광학 변위 센서 출력과 가속도 센서 출력을 같이 이용함으로써 종이, 돌, 나무, 플라스틱, 아크릴, 유리 등 다양한 재질은 물론 요철이나 물리적 패턴이 있는 표면에서도 안정적인 위치 파악이 가능하다. 이러한 특성과 함께 원더스코프는 표면에서 4cm 정도 떨어진 범위에서도 위치 파악이 가능해 전시물 표면 근처에서의 간단한 3차원 상호작용 구현도 가능하다.
연구팀은 범용 가상현실(VR) 및 게임 엔진인 유니티(Unity)를 활용해 스마트폰 앱을 쉽게 제작할 수 있도록 다양한 사례 프로젝트 탬플릿과 원더스코프 활용지원도구를 개발했다. 원더스코프는 안드로이드 운영체제를 갖는 스마트워치, 스마트폰, 태블릿과 연동해 사용할 수 있어 전시물에 다양한 형태로 적용 가능하다.
연구팀은 과학기술정보통신부 과학문화전시서비스 역량강화지원사업의 지원을 받아 원더스코프를 개발했다. 원더스코프는 2020년 10월 27일부터 2021년 2월 28일까지 지질박물관에서 개최된 `그곳에 화산이 있었다' 특별전에 지하 화산활동과 화산암 내부를 관찰하는 도구로 활용됐다. 2021년 9월 28일부터 10월 3일까지 국립중앙과학관에서 열린 `청동거울, 과학을 비추다' 특별전에서는 정문경 표면 관찰 도구로 활용됐고, 2022년 8월 2일부터 10월 3일까지 `달 탐사 특별전' 에서는 달착륙선 체험 콘텐츠를 전시했다. 연구팀은 다년간 현장 실증을 통해 원더스코프의 성능과 사용성을 향상했다.
연구팀은 올해 8월 8일부터 11일까지 캐나다 밴쿠버에서 열린 컴퓨터 그래픽 및 상호작용기술 학회인 ACM 시그래프(SIGGRAPH)의 신기술전시회(Emerging Technologies)에서 원더스코프를 데모 전시했다. 전 세계 최신 상호작용기술이 소개되는 이 학회에서 연구팀은 우수전시상(Best in show honorable mention)을 수상했다. 심사위원들은 "원더스코프가 박물관과 같은 전시공간에서 관람객들에게 참여의 즐거움을 제공하는 새로운 기술이 될 것ˮ이라고 평가했다.
원더스코프는 직경 5cm, 높이 4.5cm의 원통형 앱세서리 모듈로서 그 크기가 충분히 작아 스마트폰에 쉽게 부착할 수 있고, 대부분 전시물 안에 문제없이 내장시킬 수 있다. 연구책임자인 산업디자인학과 이우훈 교수는 "원더스코프가 교육은 물론, 상업 전시에서도 다양한 응용이 가능할 것이다ˮ며, "더 나아가 어린이들의 호기심을 자극하는 인터랙티브 교구로도 활용 가능할 것으로 기대한다ˮ라고 설명했다.
원더스코프(WonderScope) 대표 영상 : https://www.youtube.com/watch?v=X2MyAXRt7h4&t=7s
SIGGRAPH E-Tech에서 원더스코프 데모 전시 영상 : https://www.youtube.com/watch?v=c5pRMTIpGf8
국립중앙과학관 달탐사 특별전 (2022.08.02 ~ 2022.10.03) 영상 : https://www.youtube.com/watch?v=cZxwj84TnLM
국립중앙과학관 "청동거울, 과학을 비추다" 특별전 (2021.09.28~2021.10.03) 영상 : https://www.youtube.com/watch?v=T6W19lTt2J8
SIGGRAPH 2022 E-Tech 우수전시상 작품평 : https://s2022.siggraph.org/program/emerging-technologies/
‘디지털 크리에이티비티(Digital Creativity)’ 저널 논문 게재 (2022년, 표지논문) : https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14626268.2022.2039208
2022.09.13
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해상도 높인 곤충 눈 구조 초박형 카메라 개발
바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 고해상도 이미징을 위한 곤충 눈 구조의 초박형 카메라를 개발했다. 이 카메라는 독특한 시각 구조를 가진 제노스 페키(Xenos peckii)라는 곤충의 눈을 모사해 개발돼, 상용 카메라보다 더 얇은 렌즈 두께와 넓은 광시야각을 갖는다. 이러한 특징을 이용해 모바일, 감시 및 정찰 장비, 의료영상 기기 등 다양한 소형 카메라가 필요한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
김기수 박사과정이 주도한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)’ 2월 27일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: 고대비 고해상도 이미징을 위한 생체모사 초박형 카메라, Biologically Inspired Ultrathin Arrayed Camera for High Contrast and High Resolution Imaging)
최근 초소형 및 초박형 스마트 기기의 개발로 소형화된 이미징 시스템의 수요가 커지고 있다. 그러나 기존의 카메라는 물체의 상이 일그러지거나 흐려지는 현상인 수차를 줄이기 위해 다층 렌즈 구조를 활용하기 때문에 렌즈 두께를 감소하는 데 한계가 있다. 또한, 기존의 곤충 눈을 모사한 미세렌즈 배열(Microlens arrays)은 렌즈 사이의 광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 인해 해상도가 저해되는 단점이 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 제노스 페키 곤충의 시각 구조를 모사한 렌즈를 제작했고 이를 이미지 센서와 결합해 초박형 카메라를 개발했다. 곤충의 눈은 렌즈와 렌즈 사이의 빛을 차단하는 색소 세포(pigment cells)가 존재해 각 렌즈에서 결상(어떤 물체에서 나온 광선 등이 반사 굴절한 다음 다시 모여 그 물체와 닮은꼴의 상을 만드는 현상)되는 영상들 간의 간섭을 막는다. 이러한 구조는 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 막아 고 대비 및 고해상도 영상을 획득하는 데 도움을 준다.
연구팀은 이러한 광 차단 구조를 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 매우 얇게 제작해 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 효율적으로 차단했다. 렌즈의 두께를 최소화하기 위해 렌즈의 방향을 이미지 센서 방향인 역방향으로 배치했으며, 이를 통해 최종 개발된 카메라 렌즈의 두께는 0.74mm로 이는 10원짜리 동전 절반 정도의 두께이다. 연구팀은 카메라의 원거리에 있는 물체를 모든 렌즈에서 같은 시야각을 통해 동일한 영상을 획득하고, 이 배열 영상들은 해상도를 하나의 이미지로 합성했다. 합성된 영상은 합성 전 단일 채널 영상보다 향상된 해상도를 가짐을 확인했다.
정기훈 교수는 “실질적으로 상용화 가능한 초박형 카메라를 제작하는 방법을 개발했다”라며 “이 카메라는 영상획득이 필요한 장치에 통합돼 장치 소형화에 크게 기여할 것으로 확신한다”라고 말했다.
2020.03.23
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KAIST 아프리카 봉사단 과학기술부장관 상 수상
〈2018 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회 우수활동 팀 부분 대상을 수상한 KAIST 음펨바 이펙트 팀〉
우리 대학 아프리카 봉사단이 ‘2018 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회’에서 총 다섯 개의 상을 받아 전체 수상 분야를 석권했다.
‘월드프렌즈 ICT 봉사단’은 과학기술정보통신부와 한국정보화진흥원이 2011년부터 파견해온 해외 봉사단으로 국가 간 정보 격차를 줄이기 위해 개도국에 ICT 기술을 전수하는 활동을 수행한다. 우리 대학은 2015년부터 글로벌리더십센터(센터장 김영걸) 주관으로 아프리카에서 ICT 교육 봉사 프로그램을 진행해왔다.
올해는 전국 각 대학 소속 110개 팀, 400여 명이 아시아와 중남미, 아프리카 등 전 세계 23개국에 파견돼 자원봉사를 펼쳤으며, 지난 22일 세종문화회관에서 ‘2018 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회’를 개최해 우수활동 팀 및 UCC·사진 부문 공모전 시상식을 진행했다.
이 시상식에서 탄자니아로 봉사 활동을 떠난 음펨바 이펙트 팀(Mpemba Effect, 정유리·이동은/생명과학과 16학번, 이현직/전기및전자공학부 17학번, 김다빈/화학과 15학번)이 우수활동 팀 부분 대상으로 선정돼 과학기술정보통신부 장관상과 부상을 수상했다.
탄자니아에서 함께 봉사 활동을 한 브이티에스 팀(VTS, 윤유상/기계공학과 16학번, 최지원·이상효/전기및전자공학부 17학번)도 같은 부분 우수상에 선정돼 한국정보화진흥원장상 및 부상을 수상했다.
또한, 사진 공모전에서 에티오피아에 파견된 조하연(물리학과 15학번) 학생이 대상을, 탄자니아에 파견된 이동은(생명과학과 16학번) 학생이 최우수상을 받았다.
이 외에도 음펨바 이펙트 팀은 UCC 공모전 우수상까지 차지하며 3관왕을 달성해 전체 수상 분야 모두를 석권하는 영예를 안았다.
총 35명의 학생으로 구성된 KAIST 월드프렌즈 ICT 봉사단은 에티오피아 및 탄자니아로 각각 파견됐다. 탄자니아에서는 지난 6월 30일부터 7월 26일까지 한 달 동안 아루샤市에 위치한 ‘넬슨 만델라 공과대학(NM-AIST)’과 ‘스타 고등학교’에서 현지 적정기술 프로젝트와 ICT 교육 및 사이언스 페어 준비 등 봉사 활동을 진행했다.
에티오피아에서는 7월 4일부터 8월 3일까지 아디스아바바市에 있는 ‘아디스아바바 과학기술원(AAiT)’에서 안드로이드 어플리케이션 개발, 이미지 프로세싱, 파이썬(Python), C언어 및 아두이노 등 ICT 교육과 K-POP, 한국어 교육, 전통문화 전수 등 한국문화 교육 등 봉사 활동을 진행했다.
〈2018 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회 우수활동 팀 부분 대상을 수상한 KAIST VTS 팀〉
〈2018 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회 사진 부분 대상을 수상한 물리학과 조하연(중앙)
최우수상을 수상한 생명과학과 이동연(맨 우측)〉
〈2018 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회 UCC 부분 대상을 수상한KAIST 음펨바 이펙트 팀(중앙)〉
〈2018 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회 사진 부분 대상 수상작(물리학과 15 조하연)〉
2018.12.26
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정기훈 교수, 곤충 눈 구조 모방한 초박형 카메라 개발
〈 왼쪽부터 장경원 박사과정, 정기훈 교수, 황순홍 박사과정 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 독특한 눈 구조를 가진 곤충인 제노스 페키(Xenos peckii)를 모사한 초박형 디지털카메라를 개발했다.
제노스 페키를 모사해 개발한 초박형 디지털카메라는 기존 이미징 시스템보다 더 얇으면서 상대적으로 넓은 광시야각과 높은 분해능을 갖는다. 감시 및 정찰 장비, 의료용 영상기기, 모바일 등 다양한 소형 이미징 시스템에 적용 가능할 것으로 기대된다.
금동민, 장경원 박사과정이 주도한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘빛 : 과학과 응용(Light : Science & Applications)’ 10월 24일 자에 게재됐다. (논문명: 제노스 페키의 시각기관을 모사한 초박형 디지털카메라, Xenos peckii vision inspires an ultrathin digital camera)
정 교수 연구팀은 자연계에서 발견되는 광학 구조를 모방하는 연구를 꾸준히 진행해 왔다. 반딧불이의 배 마디 구조를 분석해 광효율을 높은 LED 렌즈를 개발한 바 있고, 생체모사를 통한 무반사 기판을 제작하는 등 해당 분야를 선도하고 있다.
최근 전자기기 및 광학기기의 소형화로 초박형 디지털카메라에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나 기존의 카메라 모듈은 광학적 수차를 줄이기 위해 광축을 따라 복수의 렌즈로 구성돼 있어 부피가 매우 크다는 단점이 있다. 이런 모듈을 단순히 크기만 줄여 소형기기에 적용하면 분해능과 감도가 떨어지게 된다.
연구팀은 문제 해결을 위해 곤충인 제노스 페키의 시각구조를 적용한 렌즈를 제작했고 이를 이미지 센서와 결합한 초박형 디지털카메라를 개발했다.
곤충의 겹눈구조는 수백, 수천 개의 오마티디아라 불리는 아주 작은 광학 구조로 이뤄져 있다. 일반적인 겹눈구조는 수백, 수천 개의 오마티디아에서 한 개의 영상을 얻지만, 제노스 페키는 다른 곤충과는 달리 각 오마티디아에서 개별의 영상을 획득할 수 있다. 또한 오마티디아 사이에 빛을 흡수할 수 있는 독특한 구조를 가져 각 영상 간 간섭을 막는다.
연구팀이 개발한 카메라는 2mm 이내의 매우 작은 크기로 제노스 페키의 겹눈구조를 모방해 수십 개의 마이크로프리즘 어레이와 마이크로렌즈 어레이로 구성된다. 마이크로프리즘과 마이크로렌즈가 한 쌍으로 채널을 이루고 있으며 각각의 채널 사이에는 빛을 흡수하는 중합체가 존재하며 각 채널 간 간섭을 막는다.
각각의 채널은 화면의 다른 부분들을 보고 있으며 각 채널에서 관측된 영상들은 영상처리를 통해 하나의 영상으로 복원돼 넓은 광시야각과 높은 분해능을 확보할 수 있다.
정기훈 교수는 “초박형 카메라를 제작하는 새로운 방법을 제시했다”며 “이 연구는 기존의 평면 CMOS 이미지 센서 어레이에 마이크로 카메라를 완전히 장착한 초박형 곤충 눈 카메라의 첫 번째 데모이며 다양한 광학 분야에 큰 영향을 미칠 것으로 확신한다.”라고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. (좌) 제노스 페키의 SEM 영상. (우) 형광 염색된 제노스 페키의 시각구조
그림2. (좌) MEMS 공정을 통해 제작된 마이크로프리즘 어레이의 SEM 영상. (우) 완성된 초박형 디지털 카메라의 광학 영상
그림3. (좌) Xenos peckii의 시각기관을 통해 얻은 영상. (우) 초박형 디지털 카메라를 통해 얻은 영상
2018.11.20
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KAIST 아프리카 봉사단 ‘월드프렌즈 ICT봉사단 상' 수상
KAIST 아프리카 봉사단은 12월 5일, 한국정보화진흥원(NIA)이 개최한 ‘2017 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회’ 에서 모든 부분의 상을 휩쓸었다.
한국정보화진흥원은 지난 2011년부터 세계 여러 개도국에 ICT 봉사단을 파견해 왔으며, 2015년부터 KAIST 글로벌리더십센터와 함께 아프리카에서 ICT 교육 봉사프로그램을 진행해왔다.
월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회는 매년 개도국에서 활동하고 온 봉사단원들이 서로의 경험을 공유하고 글로벌 역량을 배양하는 소통과 협력의 장으로 운영되고 있다. 이번 성과보고대회에는 21개국에 파견되었던 446명의 봉사단원을 대상으로 진행하였으며, 우수활동팀/활동수기/UCC 부문 공모전 시상식도 함께 진행되었다.
KAIST 아프리카 봉사단은 이번 성과보고대회에서 탄자니아로 봉사활동을 떠난 HILMI팀(정은석, 강성주, 이태영, 윤승현)이 우수활동팀 대상으로 선정되어 과학기술정보통신부장관상과 부상을 수여 받았다. 또한 에티오피아에서 봉사활동을 한 APPrica팀 (김진영, 김대영, 민종관, 전문휘), WITH팀(손수연, 김한나, 남경욱, 명재민 )도 각각 우수상에 선정되어 한국정보화진흥워장상 및 부상을 수여 받았다. 이외에도 활동수기 공모전에서 HILMI팀의 이태영 학생이 대상을 수상하였으며, UCC 부문 공모전에서 HILMI팀이 최우수상, Ethitogether팀의 석창훈 학생이 우수상을 수상하였다.
특히 이날 탄자니아 봉사활동팀인 HILMI는 우수활동팀 대상, UCC 공모전 최우수상, 활동수기 공모전 대상을 수상하여 3관왕을 달성하는 영예를 안았다.
KAIST 월드프렌즈 ICT 봉사단은 총 32명의 학생으로 구성되어 지난 7월 6일부터 8월 5일 한 달 동안 에티오피아 ‘아디스아바바 과학기술원(AAiT)’과 ‘아마다 과학기술대학교(ASTU)’에서 안드로이드 Application 개발, 포토샵, MS Office 등 기초 IT 교육과 K-POP, 한국어 교육, 난타 공연 등 한국문화 교육을 제공했으며, 탄자니아 ‘넬슨 만델라 공과대학(NM-AIST)’과 ‘스타 고등학교’아두이노 프로젝트, ICT 교육 및 사이언스 페어 준비 등 봉사 활동을 진행하였다.
2017.12.08
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2017 월드프렌즈 ICT KAIST 발대식_21일 개최
우리대학은 21일 오후 대전 본교 교수식당 3층 영빈관에서 신성철 총장과 김영걸 글로벌리더십센터장, 김영길 부센터장 등 주요 보직자와 엄현준 학생(원자력및양자공학과 3학년) 등 학생 봉사단원, 교직원 등 40여명이 참석한 가운데 ‘2017 월드프렌즈 ICT KAIST 봉사단’ 발대식을 가졌다. '월드프렌즈 ICT KAIST 봉사단’은 개발도상국 학생을 대상으로 ICT 관련 교육과 문화교류를 진행하는 해외 봉사프로그램인데 우리대학 글로벌리더십센터가 2015년부터 한국정보화진흥원(NIA·원장 서병조)의 후원을 받아 시행해오고 있다.
이날 발대식은 신성철 총장 격려사를 시작으로 봉사단 선서와 사전 안전교육·기념촬영 순으로 약 1시간 동안 진행됐다. 올해 월드프렌즈 ICT 봉사단은 32명의 학생과 이들을 인솔하고 지원하는 임무를 맡은 교직원 2명 등 모두 34명으로 구성됐다.
이들은 APP프리카·KAI-Tigers·WITH 등 총 8개 팀(팀당 4명으로 구성)으로 나눠 에티오피아의 아디스아바바 공대(AAIT) 및 아다마 공대(ASTU), 탄자니아 넬슨만델라대 등 2개국 3개 대학생을 대상으로 ICT 교육 및 문화교류 등에 관한 봉사활동을 실시할 예정이다. 봉사활동 기간은 다음 달 7일부터 오는 8월 5일까지 약 1달간이다. 이를 위해 우리대학은 지난 4월 27일부터 5월 11일까지 접수받은 참가 희망학생을 대상으로 1차 서류심사와 그리고 5월 18일까지 2차 면접심사를 통해 모두 32명의 학생 봉사대원을 선발했다. 총 지원자는 68명으로 2.1대 1의 경쟁률을 기록했다.
우리대학은 준비과정에서부터 에티오피아와 탄자니아의 현지 요구를 바탕으로 맞춤형 봉사활동 프로그램이 될 수 있게 준비했는데 프로그램은 대학생 대상의 △ICT 교육과 △문화교류 △주말 농장 및 과학실험 봉사 등으로 구성됐다. 이 중 봉사단이 가장 중점을 두는 분야는 전체 봉사활동 내용의 70%를 차지하는 ICT 교육인데 에티오피아 아디스아바바 공대와 아다마 공대에서 각각 현지 대학생들을 대상으로 윈도우·MS워드·엑셀·파워포인트·포토샵 등을 포함해 스마트폰 이용법 등에 관해 중점 지도할 계획이다.
탄자니아에서는 또 넬슨만델라 대학생들과 함께 인근 고등학생들을 대상으로 적정기술과 아두이노(Arduino)를 이용한 Water tank control 등 실용 ICT 교육봉사를 진행한다.
☞ 아두이노(Arduino): 기기 제어용 기판으로 오픈 소스의 방식이라는 특징을 가지고 있으면서, 센서나 부품 등의 장치를 연결할 수 있는 구조로 되어 있다. 센서나 스위치 등의 다양한 부품을 연결할 경우 로봇 등을 작동시킬 수 있다. 또한 물리적 차원의 신호를 감지하여 디지털로 변환할 수 있기 때문에 장난감·사운드 구현·교육 프로그램 등 다양한 곳에 적용하여 사용 가능하다. 오픈 소스 방식이므로 누구나 쉽게 접근하여 만들 수 있고 수정도 용이한 게 큰 특징임.
봉사단은 이밖에 K-Pop 댄스와 제기차기·씨름 등 전통놀이와 비빔밥·송편 만들기 등 전통음식 만들기를 비롯해 한글교육 등을 통해 한국문화를 소개하는 한편 현지 대학생들과 함께 준비한 문화공연도 진행해 양국의 문화를 서로 교류하고 이해하는 시간도 가질 예정이다. 주말에는 특히 인근 농장을 찾아 봉사를 하고 인근 초등학교와 고아원을 찾아가 어린이를 대상으로 하는 과학실험과 체육·미술활동도 함께 진행한다.
신성철 총장은 격려사에서 “여름방학을 맞아 각자 개인적인 여러 계획을 세워 바쁘게 지내야 할 때 봉사와 희생정신 그리고 도전정신으로 인류애를 실현하기 위해 에티오피아와 탄자니아로 봉사활동을 떠나는 여러분들이야 말로 진정 가장 멋진 KAIST 대학생이며 봉사활동 기간 동안 건강에 유의하고 한국을 대표하는 민간외교관으로서의 사명감과 자긍심을 갖고 봉사활동을 충실히 수행해 달라”고 당부했다
2017.06.21
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우운택 교수, 증강현실 속 캐릭터 실시간 조작기술 개발
〈 우 운 택 교수 〉
우리 대학 KI IT융합연구소 증강현실 연구센터의 우운택 교수(문화기술대학원) 연구팀이 증강현실 안경을 통해 현실공간에 존재하는 가상 객체의 이동경로를 간편하고 자유롭게 설정할 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술은 홀로렌즈와 같은 투과형 증강현실 안경을 착용한 사용자가 스마트폰을 이용해 현실공간에서 직관적으로 동물, 식물 등의 가상 객체를 조작하면서 이동경로를 실시간으로 설정 및 변경할 수 있다.
유정민 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 한국 인간-컴퓨터 상호작용 학회(HCI)에서 지난 8일에 시연됐고, 관련 논문은 2017년도 국제 인간-컴퓨터 상호작용 학회(HCI International 2017)에서 발표될 예정이다.
기존의 증강현실을 저작하는 과정은 피시(PC) 환경에 특화된 저작 프로그램을 이용하거나 전문적인 프로그래밍 언어로 가상의 객체를 선택하고 조작해야 한다. 따라서 과정이 복잡하고 비용이 상대적으로 많이 소요되는 한계가 있었다.
연구팀은 특수한 입력장치를 사용하는 대신 자체 개발한 앱을 스마트폰에서 구동시켜 홀로렌즈가 부착된 안경형 디스플레이 장치와 연동했다.
이를 통해 3차원 마우스와 같은 입력장치로 사용할 수 있고 증강현실 속 가상 객체를 컴퓨터의 아이콘 옮기듯 쉽게 조정하고 이동할 수 있게 된다.
이 기술은 사용자가 스마트폰의 입력 정보와 내장된 3축 기울기 센서로부터 획득한 스마트폰의 자세 정보를 이용해 가상 객체를 선택 혹은 취소하거나 크기를 조절할 수 있다. 또한 가상 객체의 이동경로를 현실 공간에 바로 설정하거나 수정할 수 있다.
이러한 기능은 현실 공간에서 가상 객체의 이동을 직관적으로 설정할 수 있기 때문에 다양한 동적인 증강현실 환경을 현장에서 즉각적으로 구성할 수 있다.
누구나 쉽게 사용할 수 있는 저작도구는 다양한 증강현실 콘텐츠의 즉각적인 생산과 체험을 가능하게 하고 새로운 증강체험 관련 산업의 형성 및 생태계 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
우 교수는 “이 기술은 스마트 폰만 있으면 누구나 콘텐츠를 현장에서 직관적으로 저작할 수 있다”며 “추가 개발될 증강현실 저작도구를 통해 누구나 포켓몬go 같이 가상 캐릭터와 현실공간이 상호작용하는 환경을 만들 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 증강현실 체험 위한 안경형 디스플레이기반 이동경로 저작 기술의 개념도
그림2. 기술을 활용하여 증강현실 환경을 구성하는 실제 화면
2017.02.16
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“배낭여행 대신 에티오피아로 IT 교육봉사 갑니다.”
“방학 중 배낭여행을 가는 친구들도 있지만 내가 가진 재능을 나누며 봉사의 가치를 느껴볼 수 있는 경험을 하고 싶습니다.”
7월 9일부터 8월 5일까지 에티오피아로 교육봉사를 떠나는 박수현‘월드 프렌즈 IT 봉사단’부단장(원자력및양자공학과 2년)은 이같이 말했다.
‘월드 프렌즈 IT 봉사단’은 개발도상국 학생을 대상으로 IT 교육과 문화교류를 진행하는 해외 봉사 프로그램이다.
KAIST 리더십센터가 지난해부터 국가 간 정보격차를 해소하고 학생들의 국제 감각과 리더십을 키워주기 위해 한국정보화진흥원의 후원을 받아 시작했다.
KAIST 학부생을 대상으로 32명을 모집하는 이번 프로그램에는 재학생 80여 명이 지원해 학생들의 큰 관심을 받았다.
박수현 부단장은 “최근 여름방학에 여행 대신 봉사를 떠나려는 KAIST 학생들이 늘고 있다”며 “지난해 재학생 지원자가 30여 명 정도였는데 올해는 80여명이 지원해 경쟁률이 2대 1을 넘어 깜짝 놀랐다”고 말했다.
김영희 학생생활처장은 “해외봉사는 준비기간과 실제 봉사기간을 합해 두 달이 소요돼 학생들에게 부담스러운 시간이지만 방학을 더 의미 있게 보내려는 학생들이 증가하고 있다”라고 말했다.
프로그램을 준비하는 학생들의 열기도 뜨거웠다. 선발된 학생들은 방학이 시작되자 교내에 2주 동안 머물면서 현지에서 교육할 프로그래밍 교재를 자체 제작하고, 어떤 문화교류 활동을 할 것인지 등을 논의해 프로그램을 만들었다.
프로그램은 △ 대학생 대상 프로그래밍 교육 △ 현지 대학생과의 문화교류 △ 초․중․고 방문 과학실험 등으로 구성됐다.
봉사단이 가장 중점을 두는 분야는 프로그래밍 교육이다. 아디스아바바과학기술원(AAIT)에서 현지 대학생 350명을 대상으로 윈도우 ․ MS Office ․ 포토샵 ․ 홈페이지 만들기 등을 중점 지도할 계획이다.
김영희 처장은 “현지 학생들 사이에서 지난해 프로그래밍 교육이 너무 좋았다는 소문이 있어 올해 캠프에 1200여 명이 지원했으며, 캠프 참가자 350명을 선정하는데 큰 어려움이 있었다고 전해 들었다”라고 말했다.
박수현 부단장은 “에티오피아는 하루에도 몇 번씩 정전이 되고, 대학 내 컴퓨터 등 교육기자재가 없어 환경이 매우 열악하다”며 “현지 대학생들이 PC도 제대로 다룰 수 없는 상황이라는 말을 듣고 PC 프로그램을 먼저 교육하기로 했다”고 말했다.
봉사단은 또 K-POP ․ 한국영화 감상하기 ․ 윷놀이 ․ 태권도 등 한국문화를 소개하고 현지 학생들과 함께 준비한 문화공연도 진행해 서로를 이해하는 시간도 갖는다.
이와 함께 주말에는 인근 초등학교와 고등학교를 방문해 과학실험 및 IT 교육과 미술 ․ 체육 수업 등의 봉사활동도 진행한다.
특히 아마다 과학기술대학교 학생 30명에게는 국제 대학생 프로그래밍대회(ACM-ICPC)에 참가할 수 있도록 알고리즘 및 문제해결 기법을 집중적으로 교육할 예정이다.
KAIST와 아디스아바바과학기술원과의 협력도 한층 강화되고 있다. 지난 6월이인 KAIST 명예교수가 동 대학의 원장에 임명돼 다음달 1일부터 2년간 임기를 시작할 예정이며, 최근 해당 대학의 재학생이 KAIST 외국인전형에 합격해 2014년 4명, 2015년 4명이 입학했다.
KAIST는 이번 봉사활동 준비하면서 마련한 노트북, 컴퓨터 등 1300여만 원에 상당하는 기자재도 현지 대학에 기증할 계획이다.
김영희 학생생활처장은 “이번 교육봉사는 IT기술 전수를 통해 지구촌의 정보격차를 완화하는데 기여하는 한편 서로 다른 문명권에 사는 젊은이들이 만나 서로의 문화를 이해하는 기회가 될 것”이라고 말했다.
한편 에티오피아는 6․25 전쟁 당시 아프리카에서 유일하게 우리나라에 지상군을 파견한 나라로, 당시 황실 근위대 소속 병력을 중심으로 3500여명이 참전해 200회 이상의 전투에서 대부분 승리했다고 알려졌다.끝.
2016.07.12
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KAIST 학생봉사단, 에티오피아 대학생 대상 IT 교육봉사
우리 대학 학부생으로 구성된 ‘월드프렌즈 IT봉사단’이 7월 9일부터 8월 17일까지 에티오피아 수도 아디스아바바에서 지역 대학생과 어린이들을 대상으로 봉사활동을 진행한다.
KAIST 학생봉사단이 주관하고 한국정보화진흥원이 후원하는 이번 ‘월드프렌즈 IT봉사단’은 개발도상국 대학생들을 대상으로 IT 교육 프로그램을 운영해 국가 간 정보격차를 해소하는데 기여하고 참가 학생들의 국제적 리더십을 키워주기 위해 기획됐다.
28명으로 구성된 봉사단은 2개조로 나눠 ‘아디스아바바 공과대학(AAⅰT ․ Addis Ababa Institute of Technology)’과 ‘아다마과학기술대학교(ASTU ․ Adama Science and Technology University)’에서 C언어 ․ 자바 프로그래밍 ․ 포토샵 ․ MS Office ․ 윈도우 등 기초 IT교육을 진행하고 케이팝(K-POP) ‧ 한국어 교육 ‧ 한국음식 소개 ‧ 패션쇼 등 한국문화도 소개할 예정이다.
특히 아다마 과학기술대 학생들에게는 국제 대학생 프로그래밍 대회(ACM-ICPC)에 참가할 수 있는 수준의 고급 프로그래밍을 교육시킬 계획이다.
이와 함께 주말에는 아디스아바바 인근 초등학교를 방문해 미술수업 ․ 화산폭발실험 ․ 탱탱볼 만들기 실험 등의 봉사활동도 진행한다.
김영희 KAIST 학생생활처장은 “이번 교육봉사를 통해 서로 다른 문명권에서 살아온 젊은이들이 서로의 문화를 이해하는 기회가 되고, 지구촌 정보 격차 완화에도 기여하는 계기가 되기를 바란다”라고 말했다.
한편, KAIST 학생봉사단은 지난 1월에도 캄보디아 호산나학교를 방문해 과학실험 봉사활동을 진행한 바 있다. 끝.
2015.07.09
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신기루 현상 착안해 테라헤르츠파 광학렌즈 개발
무더운 여름, 아스팔트 도로에 물웅덩이가 보이다가 가까이 다가가면 사라지고 좀 가다보면 또 물웅덩이가 나타난다. ‘신기루’라고 불리는 이 현상은 지표면 가까운 공기층의 큰 온도차로 인한 공기밀도 변화로 빛이 굴절되기 때문이다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수는 물리학과 안재욱 교수와 신기루 현상에서 착안한 물리적 효과를 이용해 테라헤르츠파 굴절률 분포형 렌즈를 세계 최초로 개발했다.
실리콘 소재를 곡면으로 가공해 만드는 카메라렌즈에 사용되는 기존방식과는 달리 이번에 개발된 렌즈는 평평한 실리콘 웨이퍼를 소재로 반도체 양산공정으로 제작해 비용을 최대 1/100 수준으로 낮출 수 있으며 제작시간도 훨씬 단축시킬 수 있다. 광원 추출효율은 4배 이상 향상시켰다.
테라헤르츠파는 0.1THz~30THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있어 보안검색, 의료영상기술 등 비파괴 검사 도구나 의료용 진단기구의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
그러나 넓은 대역의 주파수 특성으로 인해 손실되는 전자기파의 비율이 높아 테라헤르츠파를 높은 효율로 집중시킬 수 있는 광학소자 개발이 요구됐다.
정 교수 연구팀은 평평한 실리콘에 테라헤르츠파 파장(약 300㎛) 보다 작은 80~120㎛ 크기의 구멍을 반도체 양산방법인 광식각공정으로 만들었다. 렌즈 가장자리로 갈수록 홀 사이즈는 크게 만들었다.
테라헤르츠파를 쪼이자 공기와 실리콘 중 공기 비율이 높은 가장자리는 굴절률이 낮았으며, 상대적으로 공기의 비율이 낮은 가운데는 굴절률이 높았다. 평평한 소재를 광학특성을 공학적으로 설계해 빛을 모으는 볼록렌즈와 같은 기능을 한 것으로 신기루 현상과 같은 물리적 효과와 같다.
이번 연구를 주도한 정기훈 교수는 “자연현상에서 착안해 자연계에 존재하지 않는 다양한 광학특성을 띄는 메타물질을 인공적으로 만든 것”이라며 “물질적 제약으로 인해 다양한 광학소자개발이 더딘 테라헤르츠파 기술 진보에 상당한 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
미래창조과학부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업, 그린나노기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국물리협회에서 발간하는 귄위 있는 국제학술지인 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’에 9월자 특집논문 및 표지논문(제1저자 박상길 박사과정)으로 게재됐다.
그림1. 유전체 메타물질을 이용한 실리콘 굴절률 분포형 렌즈. 머리카락 굵기(80~120µm) 수준의 구멍이 실리콘 기판에 서로 다른 크기로 형성돼 있다.
그림2. 굴절률 분포형 렌즈 원리
그림3. 신기루 현상신기루는 아스팔트 도로 위에서 흔하게 나타나는 대기 굴절 현상이다. 이 현상은 도로면이 물체를 반사하는 것처럼 보이게 하는데 이 때문에 도로면에 물웅덩이가 있는 것처럼 착각하게 된다. 아래 사진에는 멀리서 다가오는 차의 상이 도로면을 통해 보인다. <사진 : 경기북과학고등학교 조영우 선생님 제공>
그림4. 논문표지
2014.09.24
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