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3차원 표정인식용 인공지능 라이트필드 카메라 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈, 이도헌 교수 공동연구팀이 근적외선 기반 라이트필드 카메라와 인공지능기술을 융합하여 얼굴의 감정표현을 구분하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
라이트필드 카메라는 일반적인 카메라와 다르게 미세렌즈 배열(Microlens arrays)을 이미지센서 앞에 삽입해 손에 들 수 있을 정도로 작은 크기이지만 한 번의 촬영으로 빛의 공간 및 방향 정보를 획득한다. 이를 통해 다시점 영상, 디지털 재초점, 3차원 영상 획득 등 다양한 영상 재구성이 가능하고 많은 활용 가능성으로 주목받고 있는 촬영 기술이다.
그러나 기존의 라이트필드 카메라는 실내조명에 의한 그림자와 미세렌즈 사이의 광학 크로스토크(Optical crosstalk)에 의해 이미지의 대비도 및 3차원 재구성의 정확도가 낮아지는 한계점이 있다.
연구팀은 라이트필드 카메라에 근적외선 영역의 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL) 광원과 근적외선 대역필터를 적용해 기존 라이트필드 카메라가 갖는 조명 환경에 따라 3차원 재구성의 정확도가 낮아지는 문제를 해결했다. 이를 통해 얼굴 정면 기준 0도, 30도, 60도 각도의 외부 조명에 대해, 근적외선 대역필터를 사용한 경우 최대 54%까지 영상 재구성 오류를 줄일 수 있었다. 또한, 가시광선 및 근적외선 영역을 흡수하는 광 흡수층을 미세렌즈 사이에 제작하면서 광학 크로스토크를 최소화해 원시 영상의 대비도를 기존 대비 약 2.1배 정도로 획기적으로 향상하는 데 성공했다.
이를 통해 기존 라이트필드 카메라의 한계를 극복하고 3차원 표정 영상 재구성에 최적화된 근적외선 기반 라이트필드 카메라(NIR-LFC, NIR-based light-field camera) 개발에 성공했다. 연구팀은 개발한 카메라를 통해 피험자의 다양한 감정표정을 가진 얼굴의 3차원 재구성 이미지를 조명 환경과 관계없이 고품질로 획득할 수 있었다.
획득한 3차원 얼굴 이미지로부터 기계 학습을 통해 성공적으로 표정을 구분할 수 있었고, 분류 결과의 정확도는 평균 85% 정도로 2차원 이미지를 이용했을 때보다 통계적으로 유의미하게 높은 정확도를 보였다. 이뿐만 아니라, 연구팀은 표정에 따른 얼굴의 3차원 거리 정보의 상호의존성을 계산한 결과를 통해, 라이트필드 카메라가 인간이나 기계가 표정을 판독할 때 어떤 정보를 활용하는지에 대한 단서를 제공할 수 있음을 확인했다.
정기훈 교수는 "연구팀이 개발한 초소형 라이트필드 카메라는 정량적으로 인간의 표정과 감정을 분석하기 위한 새로운 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ며 "모바일 헬스케어, 현장 진단, 사회 인지, 인간-기계 상호작용 등의 분야에서 활용될 것ˮ이라고 연구의 의미를 설명했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 배상인 박사과정 졸업생이 주도한 이번 연구 결과는 국제저명학술지 `어드밴스드 인텔리전트 시스템즈(Advanced Intelligent Systems)'에 2021년 12월 16일 온라인 게재됐다. (논문명: Machine-Learned Light-Field Camera that Reads Facial Expression from High-Contrast and Illumination Invariant 3D Facial Images).
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 및 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다.
2022.01.07 조회수 1437 -
현장 진단형 초고속 실시간 유전자 분석기술 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 *나노 플라즈모닉 구조를 통해 빠른 열 순환 및 실시간 정량 분석이 가능한 초고속 실시간 중합효소연쇄반응(PCR) 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
☞ 나노 플라즈모닉 구조(Nanostructures for Plasmonic): 빛의 파장보다 작은 크기의 금속나노구조이며, 빛이 표면에 조사될 때 금속 표면과 유전체의 경계에서 빛과 전자가 상호작용을 한다. 주로 바이오 물질의 검출이나 분자진단에 많이 응용된다.
최근 코로나19를 포함한 전염성이 높은 바이러스의 확산을 방지하기 위해 신속하고 정확하게 바이러스를 검출하는 기술이 절실하게 필요하다. 역전사 중합효소연쇄반응(RT-PCR)은 가장 표준화된 코로나19 진단법으로 바이러스 내부의 유전물질인 RNA를 상보적 DNA로 역전사한 후 타겟 DNA를 증폭해 형광 프로브로 검출하는 방법이다. 그러나 기존 RT-PCR은 높은 민감도와 정확도를 갖추지만, 검출 시간이 길고 고가의 대형장비를 갖춘 장소로 검체를 운송한 후 진단하는 등 실시간 현장 대응의 한계가 존재한다.
연구팀이 개발한 `실시간 나노 플라즈모닉 PCR'은 백색 발광다이오드(LED)의 높은 광 흡수율을 갖는 나노 플라즈모닉 기판에 진공 설계된 미세 유체칩을 결합해 소량의 검체를 신속하게 증폭하고 정량적으로 분석해 바이러스를 단시간 내에 정확하게 검출할 수 있다. 이러한 특징을 이용해 공공장소 등 환자 발생 장소에서 병원성 바이러스의 확산 및 해외유입을 차단할 수 있을 것으로 기대된다.
나노 플라즈모닉 기판은 유리 나노기둥 위 금 나노섬 구조로 가시광선 전 영역에서 높은 광 흡수율을 가지므로 백색 LED의 빛을 열에너지로 치환해 빠르게 열을 발생시키고 내보낼 수 있다. 또한 광열 발생장치의 수직적인 온도 구배로 인한 증폭 효율 저하를 해결하기 위해 연구팀은 진공 설계된 미세 유체칩을 결합했다.
이는 샘플 한 방울을 칩에 넣으면 진공이 액체를 마이크로 챔버로 잡아당겨 자동으로 3분 이내에 주입되고, PCR 과정 동안에 발생하는 미세 기포는 공기 투과성 벽을 통해 제거돼 PCR 효율을 높이는 원리다.
연구팀은 SARS-CoV-2 플라스미드 DNA를 사용해 해당 기술을 검증했고, 40싸이클(95도-60도)을 5분 이내에 수행해 타겟 바이러스를 91%의 증폭 효율과 함께 정량적으로 검출했다. 이는 기존 실시간 PCR 시스템의 긴 소요 시간(약 1시간)에 비해 매우 빠르고, 높은 증폭 효율을 보이므로 신속한 현장 진단에 적용되기 적합할 것으로 보인다.
정기훈 교수는 "실질적으로 현장에서 사용 가능한 초고속 분자진단법을 개발했다ˮ며 "이 실시간 나노 플라즈모닉 PCR 기술은 현장에서 분자진단을 위한 차세대 유전자 증폭 플랫폼을 제공할 것이며 바이러스 확산 방지에 기여할 수 있을 것으로 예상한다ˮ라고 말했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 강병훈 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `에이씨에스 나노 (ACS Nano)'에 지난 5월 19일 字로 게재됐다. (논문명: Ultrafast and Real-time Nanoplasmonic On-Chip Polymerase Chain Reaction for Rapid and Quantitative Molecular Diagnostics)
한편 이번 연구는 KAIST 코로나19대응 과학기술뉴딜사업단과 한국연구재단 개인연구지원사업, 바이오기술개발사업으로 수행됐다.
2021.06.07 조회수 36081 -
해상도 높인 초박형 4D 카메라 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 금속 나노 광 흡수층을 통해 고해상도 4D 영상 구현이 가능한 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다고 4일 밝혔다.
`라이트필드 카메라'는 곤충의 시각 구조에서 발견되는 형태에 착안해 미세렌즈와 대물렌즈를 결합한 진보된 형태의 카메라다. 한 번의 2차원 촬영으로 빛의 공간 뿐만 아니라 방향까지 4차원 정보를 동시에 획득한다. 그러나 기존 라이트필드 카메라는 미세렌즈 배열의 *광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 인한 해상도 저하와 대물렌즈의 위치로 인한 크기의 한계가 존재한다.
☞ 광학 크로스토크(Optical Crosstalk): 어떤 통신회선의 전기 신호가 다른 통신회선과 전자기적으로 결합해 혼선을 일으키는 통신 용어를 크로스토크라고 하며, 광학에서는 한 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈로부터 들어온 빛과 겹쳐 생기는 현상으로 영상이 중첩되어 촬영되는 것을 의미한다.
연구팀이 개발한 `4D 카메라'는 나노 두께의 광 흡수 구조를 미세렌즈 배열(Microlens arrays) 사이에 삽입해 대비도 및 해상도를 높였으며, 기존의 카메라가 가지는 외부 광원, 추가 센서 부착의 한계를 극복할 수 있다. 이러한 특징을 이용해 의료영상, 생체인식, 모바일 카메라 또는 다양한 가상현실/증강현실 카메라 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
연구팀은 미세렌즈 배열의 광학 크로스토크를 제거하기 위해 200나노미터(nm) 두께 수준의 금속-유전체-금속 박막으로 이루어진 광 흡수층을 렌즈 사이에 배치하고, 대물렌즈와 미세렌즈 사이의 간격을 일정 수준으로 줄여 초박형 라이트필드 카메라를 개발하는 데 성공했다.
높은 광학적 손실성과 낮은 분산성을 갖는 크로뮴(Cr) 금속과 높은 투과율을 갖는 유리층을 나노미터 두께로 적층한 구조(Cr–SiO2–Cr)는 가시광선 영역의 빛을 완전히 흡수할 수 있다. 나노 광 흡수층을 미세렌즈 배열 사이에 배치해 미세렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 제거하고 고 대비 및 고해상도 3차원 영상을 획득하는 데 도움을 준다.
연구팀은 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈 배열을 포토리소그래피(Photolithography), 리프트 오프(Lift-off), 열 재유동(Thermal reflow) 공정을 통해 양산 제작했다. 또한, 라이트필드 카메라의 전체 두께를 최소화하기 위해 미세렌즈의 방향을 이미지센서 방향의 역방향으로 배치하고 대물렌즈와 미세렌즈 사이 거리를 2.1mm 수준으로 줄여, 전체 5.1mm의 두께를 갖는다. 이는 현재까지 개발된 라이트필드 카메라 중 가장 얇은 두께다.
나노 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈에 의해 이미지센서에 기록되는 원시 영상은 기존 미세렌즈를 통한 영상에 비해 높은 대비도와 해상도를 가지며, 연구팀은 이를 영상처리 기법을 통해 시점 영상 및 3차원 영상으로 재구성했을 때 향상된 정확도를 가짐을 확인했다.
정기훈 교수는 "초박형이면서 고해상도의 라이트필드 카메라를 제작하는 새로운 방법을 제시했다ˮ며 "이 카메라는 생체인식, 의료 내시경, 휴대폰 카메라와 같이 다시점(Multi-view), 재초점(Refocusing)을 요구하는 초소형 영상장치로 통합돼, 초소형 4D 카메라의 새로운 플랫폼으로 활용될 것ˮ이라고 말했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 배상인 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)'에 1월 20일 字 게재됐다. (논문명: High Contrast Ultrathin Light-field Camera using inverted Microlens arrays with Metal-Insulator-Metal Optical Absorber)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 개인연구지원사업, 산업 통산 자원부의 기술혁신프로그램, 보건복지부의 보건의료기술연구개발사업으로 수행됐다.
2021.02.04 조회수 68987 -
초고감도 생체 분자 검출용 디지털 라만 분광 기술 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 생체 분자의 광학 검출의 기술적 장벽인 신호대잡음비를 1,000배 이상, 검출한계를 기존 대비 10억 배인 아토몰(10-18 mole) 단위까지 향상시키는 디지털 코드 *라만 분광 기술을 세계 최초로 개발했다고 15일 밝혔다.
☞ 라만 분광법(Raman spectroscopy): 특정 분자에 레이저를 쏘았을 때, 그 분자 전자의 에너지준위 차이만큼 에너지를 흡수하는 현상을 통해 분자의 종류를 알아내는 방법이다.
연구진은 통신 분야에서 잘 알려진 대역 확산기술(CDMA)을 생분자화합물의 라만 분광 검출법에 세계 최초로 적용했다. 디지털 코드화된 레이저광원을 이용해 모든 잡음신호를 제거하고, 생화합물의 고순도 라만 분광 신호를 복원함으로써, 극저농도의 생분자화합물을 형광 표지 없이 정확하게 분석했다. 이러한 디지털 코드 라만 분광 기술은 다양한 분자진단, 약물 및 암 치료 모니터링뿐 아니라 현장 진단용 광학 진단기기나 모바일 헬스케어 기기에도 활용이 가능할 것으로 크게 기대된다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 이원경 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 세계적 권위의 과학전문지 `네이처(nature)'의 자매지인 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 1월 8일 字 온라인판에 발표됐다. (논문명: Spread Spectrum SERS allows label-free detection of attomolar neurotransmitters)
알츠하이머병, 파킨슨병, 우울증 등의 뇌세포와 관련된 신경 질환은 뇌세포에서 만들어지는 신경전달물질이 적절히 분비되지 않거나 불균형으로 분비돼 발생하는 질병으로, 최근에는 발병과 직간접적인 사망자가 급증하고 있으나 치료가 쉽지 않다. 신경전달물질은 뉴런의 축색 돌기 말단에서 분비돼 시냅스 갭을 통과한 후 다른 뉴런에 신호를 전달하는 물질로, 결합하는 수용체의 화학적 성질에 따라 기능이 다르고, 발생하는 질병도 다양하다.
알츠하이머병 환자들은 신경전달물질 가운데 아세틸콜린이 부족하거나 글루탐산염이 높은 특징이 있고, 도파민이 부족하면 몸이 굳어지며 떨리는 파킨슨병에 걸리기 쉽고 조현병이나 주의력 결핍 과잉 행동장애와 같은 정신질환의 원인이 된다. 신경전달물질과 관련된 신경 질환은 특정 수용체 작용제나 수용체 길항체로 치료를 하는데, 효과는 그다지 성공적이지 않다. 따라서 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 신경 질환의 조기 진단을 위해서 적절한 신경전달물질의 적절한 분비를 위한 지속적인 신경전달물질 농도 변화를 모니터링하는 것이 매우 중요하다.
극저농도의 신경전달물질을 간편하면서도 정확하게 측정할 수 있다면 신경계 질환의 조기 진단율을 크게 높일 수 있고 신경 질환 환자의 치료 추적 관리에 큰 도움을 줄 수 있다. 하지만 신경전달물질 기반의 기존 신경 질환 진단기술은 양전자 방출 단층촬영(PET), 표면증강라만분광(SERS), 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC), 형광 표지 기반 센서로 측정해 분석하는 방식이다. 이러한 기존 신경 질환 진단기술은 검출한계가 나노몰(10-9 mole) 이상에 그치며, 시료 전처리 단계가 복잡하고 측정 시간이 오래 걸리는 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 대역확산 통신기술의 뛰어난 잡음 제거 기술을 생체 분자 검출에 적용해 레이저 출력 변동, 수신기 자체 잡음 등의 시스템 잡음과 표적 분자 이외의 분자 신호를 효율적으로 제거하고 표적 생체 분자 신호만 선택적으로 복원했다. 그 결과 생체 분자 신호의 신호대잡음비를 증가시켜 더욱 정밀한 검출한계를 달성했다.
대역확산 기반 디지털 코드 분광 기술은 직교성을 가지는 확산 코드로 암호화된 빛으로 생체 분자를 높은 에너지로 이동시켜 생체 분자에서 산란돼 나오는 빛을 다시 확산 코드로 복호화한다. 이러한 과정을 거쳐 표적 생체 분자의 산란 신호를 복원해 질병 및 건강 진단 지표, 유전 물질 검출 등에 응용할 수 있다.
또한 직교성을 가지는 확산 코드는 기존의 다른 신호처리 기술보다 잡음을 제거하는 성능이 우수해 신호대잡음비와 검출한계, 시간해상도를 최고 수준으로 끌어올릴 수 있다.
연구팀이 개발한 대역확산 라만 분광 기술은 물질의 고유진동 지문을 측정하는 성분 분석과 전처리가 필요하지 않다는 라만 분광 기술의 장점을 그대로 유지하면서 기존의 기술적 한계인 낮은 신호대잡음비와 검출한계를 극복하는 기술로, 바이오 이미징, 현미경, 바이오 마커 센서, 약물 모니터링, 암 조직 검사 등의 다양한 분야에 활용될 수 있다.
연구팀은 대역확산 분광 기술과 표면증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectroscopy)을 접목시켜 별도의 표지 없이도 5종의 신경전달물질을 아토 몰 농도에서 검출해 기존 검출한계를 10억(109)배 향상시켰으며, 신호대잡음비가 1,000배 이상 증가함을 확인했다.
제1 저자인 이원경 박사과정은 "고감도 분자 진단을 위해 통신 분야의 최첨단 기술인 대역확산 기술을 접목한 차세대 디지털 코드 라만 분광 기술을 최초로 제안했으며, 이 방법으로 기존 생체 분자 검출 기술의 장벽을 해결하고 기존 기술의 신경전달물질 검출한계를 획기적으로 향상시켰다ˮ며 "고감도 소형 분광기로 신속하고 간단하게 현장 진단이 가능하고 다양한 분야에 활용될 수 있어 파급효과가 크다ˮ고 말했다.
정기훈 교수는 "이번 결과를 바탕으로 향후 휴대용으로 소형화를 진행하면 낮은 비용으로 무표지 초고감도 생체 분자 분석 및 신속한 현장 진단이 가능해질 것이다ˮ며 "또한 신경전달물질뿐 아니라 다양한 생화합물 검출, 바이러스 검출, 신약평가분야에 크게 활용될수 있을 것이다ˮ고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 바이오기술개발사업, KAIST 코로나대응 과학기술뉴딜사업단과 범부처 전주기 의료기기 사업, 과학기술정보통신부 ETRI 연구개발지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.01.18 조회수 63390 -
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 조회수 7591 -
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 조회수 4567 -
정기훈 교수, 눈물 성분 분석해 통풍 예방하는 기술 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 종이에 금속 나노입자를 증착한 저렴하고 정교한 통풍 종이 검사지(Strip)를 개발했다.
이 기술은 눈물 속의 생체 분자를 분석해 비침습적 진단이 가능하고 소요 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 진단 의학, 약물 검사 뿐 아니라 현장 진단 등 특정 성분의 신속하고 정확한 진단이 필요한 다양한 분야에 응용 가능할 것으로 기대된다.
박문성 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 2016년 12월 14일 온라인 판에 게재됐다.
통풍은 바늘 모양의 요산 결정이 관절에 쌓이면서 통증을 유발하는 병이다. 일반적으로 통증의 완화와 요산 배출, 요산 강하제 복용 등이 치료법으로 이용된다.
이러한 치료법은 일시적인 통풍 증상 완화에는 도움이 되지만 완치에는 한계가 있어 지속적인 요산 농도 측정과 식이요법이 병행돼야 한다.
따라서 간편하게 요산을 측정할 수 있다면 통풍 예방율을 크게 높일 수 있고 통풍 환자의 병 관리에 큰 도움을 줄 수 있다.
하지만 기존의 통풍 진단 기술은 혈액을 채취해 요산 농도를 측정하거나 관절 윤활액을 채취해 요산 결정을 현미경으로 관찰하는 방식이다. 이처럼 침습적 시술이 대부분이고 시간이 오래 걸리는 등의 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 눈물을 쉽게 채집할 수 있는 종이의 표면에 나노플라즈모닉스 특성을 갖는 금 나노섬을 균일하게 증착했다.
나노플라즈모닉스 기술은 금속의 나노구조 표면에 빛을 모으는 기술로 질병 및 건강 진단 지표, 유전 물질 검출 등에 응용할 수 있다.
또한 금과 같은 금속은 빛을 조사했을 때 기존보다 강한 빛을 받아들이는 특성을 갖기 때문에 종이의 특성을 유지하면서도 기판 표면의 빛 집광도를 최고 수준으로 끌어올릴 수 있었다.
연구팀이 개발한 금속 나노구조 제작 기술은 넓은 면적에 자유자재로 나노구조를 제작할 수 있기 때문에 빛의 집광도를 자유롭게 조절할 수 있다.
연구팀은 종이 검사지에 표면증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectroscopy)을 접목시켜 별도의 표지 없이도 눈물 속 요산 농도를 측정하고 이를 혈중 요산 농도와 비교해 통풍을 진단했다.
1저자인 박문성 박사과정은 “통풍 진단을 위한 새로운 방법으로 눈물을 이용해 진단이 가능한 종이 통풍 검사지를 제작했다”며 “신속하고 간단하게 현장 진단이 가능하고 일반적인 반도체 공정을 이용한 대면적 양산이 가능하다”고 말했다.
정 교수는 “이번 결과를 바탕으로 향후 눈물을 이용해 낮은 가격의 무표지 초고감도 생체분자 분석 및 신속한 현장 진단이 가능할 것이다”며 “눈물 뿐 아니라 다양한 체액을 이용해 질병 진단, 생리학적 기능 연구 등에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 금으로 덮인 종이 통풍 검사지의 광학 사진
그림2. 종이 통풍 검사지의 주사전자현미경 사진
그림3. 금나노섬으로 코팅된 셀룰로오스 섬유의 주사전자현미경 사진
그림4. 눈물을 이용한 통풍 진단표
2017.01.17 조회수 9030 -
정기훈 교수, 반딧불이 구조 적용한 유기발광다이오드(OLED) 개발
〈 정 기 훈 교수 〉
우리 대학 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 반딧불이 발광기관 구조의 광학적 역할을 밝혀내고 이를 공학적으로 모사하는데 성공했다.
이를 통해 기존 유기발광다이오드(Organic Light-Emitting Diode: OLED) 보다 발광효율을 향상시킨 반딧불이 모사 유기발광다이오드를 개발했다.
김재준 박사가 주도한 이번 연구는 나노분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5일자 온라인 판에 게재됐다.
반딧불이는 스스로 빛을 내는 대표적인 자연발광체이며 자연계 내에서 가장 높은 발광효율을 가져 예전부터 반딧불이에 대한 연구가 이뤄졌다.
이전 연구는 주로 발광 원리를 밝혀내는 과정에 집중됐고 상대적으로 반딧불이 발광기관의 광학적 구조에 대한 연구는 활발하지 않았다.
반딧불이의 발광기관은 외피층, 발광세포층, 반사층으로 구성된다. 발광세포층은 빛을 발생시키는 역할, 반사층은 외피층으로 향하지 않는 빛을 반사시키는 역할을 하고 최종적으로 발생된 빛은 외피층을 통해 밖으로 빠져나간다.
이 중 빛을 발생시키는 발광세포층에 대한 연구는 많이 이뤄졌지만 반사층 및 외피층이 어떤 광학 구조를 갖고 어떤 역할을 수행하는지는 명확하지 않았다.
연구팀은 반딧불이의 발광기관 외피에 마이크로 및 나노구조가 결합된 계층적 구조가 있음을 발견했다. 그리고 광학수치해석과 실험을 통해 이 계층적 구조의 역할은 발광세포층에서 발생되는 빛을 효과적으로 추출하면서 넓은 광 분포를 구현하는 것임을 밝혀냈다.
연구팀은 이러한 반딧불이의 광학구조를 OLED에 적용해 기존 OLED가 갖는 문제점을 해결하고자 했다.
OLED는 발생된 빛이 내부에 갇혀 약 20%의 빛만 외부로 추출되는 문제를 갖는다. 연구팀은 반도체공정 및 미세몰딩공정을 이용해 반딧불이의 광학구조를 모사하는데 성공했고, 이를 OLED에 적용해 광 추출 효율을 최대 61%까지 향상시켰다. 또한 계층적 구조를 이용해 기존 OLED보다 넓은 광 분포도를 구현했다.
향후에는 광학구조의 설계 변경을 통한 다양한 광 분포 조절로 OLED 기반 조명 및 디스플레이에 적용이 가능하고 이를 통해 OLED의 발광 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 “반딧불이 발광기관에서 발견된 계층적 광학구조를 성공적으로 모사했고 이를 통해 OLED의 발광효율을 효과적으로 향상시켰다”며 “이 연구를 기점으로 생물발광기관 모사 연구가 활발히 진행될 것으로 기대된다”고 말했다.
정 교수는 “이번 연구는 자연의 신비를 밝힘과 동시에 OLED의 광추출 효율을 높이는 새로운 방법을 제시했다”며 “이 연구가 생물발광체 관련 생체모사연구에 대한 연구자들의 관심을 불러일으킬 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 기존 OLED(좌)와 반딧불이 모사 OLED의 발광 사진(우)
그림2. 반딧불이 사진
그림3. 반딧불이 발광기관에서 발견된 계층적 구조의 전자현미경 사진(비대칭 마이크로구조 위에 나노구조가 형성되어 있음)
그림4. 반딧불이 모사 OLED의 구조
2016.04.26 조회수 9597 -
은(銀)으로 덮은 종이 크로마토그래피 개발
〈 정 기 훈 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 종이에 금속나노입자를 증착시켜 저렴하면서도 정교한 결과를 내는 크로마토그래피용 종이를 개발했다.
이번 연구는 광학분야의 국제 학술지 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science and Applications)’지 1월 15일자 온라인 판에 게재됐다.
크로마토그래피는 특정 용매를 이용해 혼합물을 분리하는 기술이다. 가장 전통적인 종이 크로마토그래피를 비롯해 박막, 가스 등 다양한 방법을 이용한 크로마토그래피가 존재한다.
그 중 종이 크로마토그래피는 종이를 용매에 살짝 담근 후 종이 내 혼합 물질의 성분과 종이의 인력 차이에 의해 물질이 나아가는 정도가 달라지는 것을 이용한 혼합물 분리 방법이다.
종이 크로마토그래피는 저렴하고 다수의 성분을 동시에 검출할 수 있어 광합성 산물 및 다양한 생체 혼합물의 분리, 검출에 응용된다.
크로마티그래피 기술로 혼합물을 분리하고 나면 다음 단계로 물질의 성분을 파악하기 위해 물질에 빛을 조사한다.
분자는 각자 다른 성질을 갖고 있어 빛을 받은 후 분출하는 파장이 모두 다르다. 파장의 차이를 분석하면 혼합물에 어떤 분자가 포함됐는지 파악이 가능하다. 사람의 지문과 같은 역할을 하는 것이다.
그러나 이 과정에서 문제가 발생한다. 현존하는 종이 크로마토그래피 기술은 가격이 저렴한 대신 혼합물 분리의 정교성이 떨어지고, 혼합물 내 분자의 농도가 낮을 경우 빛을 조사해도 성분 검출이 잘 되지 않는 등의 한계가 있다.
분자를 검출하기 위해 형광 표지(label)을 붙여 빛을 조사하는 방법도 있지만 형광 표지로 인해 분자의 본래 특성이 변하게 되는 문제가 발생한다.
연구팀은 문제 해결을 위해 나노플라즈모닉스 특성을 갖는 은 나노섬을 종이 표면에 균일하게 증착했다. 나노플라즈모닉스 기술은 금속 나노구조 표면에 빛을 집광시키는 기술로 신경전달물질, 유전물질, 생체 물질 검출 등 다양하게 응용 가능하다.
은과 같은 금속은 빛을 조사했을 때 기존보다 강한 빛을 받아들이는 특성을 가져, 연구팀은 종이의 특성을 유지하면서 기판 표면에서의 빛 집광도를 최고 수준으로 끌어올릴 수 있었다.
연구팀은 개발한 종이에 표면증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectroscopy)을 접목해 별도의 표지 없이 혼합물을 분리하고 피코몰(10-12M) 수준의 극 저농도 물질도 측정하는 데 성공했다.
이 기술은 검출가능한계를 최고 수준으로 향상시켜 진단의학, 약물 검사 등 특정 성분의 분리 검출이 요구되는 다양한 분야에 응용 가능할 것으로 예상된다.
연구팀은 “진공증착, 저온 열처리 등 일반적인 반도체공정을 이용해 정밀하고 대면적 양산이 가능한 금속나노구조를 제작했다”며 “기존 기술의 단점인 비싼 가격, 셀룰로스의 특성 변화 등의 문제를 해결할 수 있을 것이다”고 밝혔다.
정 교수는 “이번 결과를 바탕으로 향후 저비용 무표지 초고감도 생체 분자 혼합물의 분리 및 분석이 가능해질 것이다”며 “또한 신약 개발용 약물 스크리닝, 환경 지표 검사, 생리학적 기능 연구 등에 크게 기여할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 크로마토그래피용 금속나노입자를 갖는 종이의 단면 주사전자현미경 사진
그림2. 크로마토그래피용 금속나노입자를 갖는 종이의 주사전자현미경 사진
그림3. 각종 크로마토그래피용 종이 광학사진
그림4. 비타민 혼합물의 분리 및 무표지 검출
2016.02.02 조회수 7238 -
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 조회수 13522 -
실시간 조직검사 하는 초소형 현미경 개발
지난해 대장내시경 검사를 받은 34살 직장인 문 모씨는 5mm 크기의 용종이 발견돼 제거수술을 받았다. 대장암 가족병력이 있어 일주일 후 조직검사 결과가 나온다는 말에 초초한 마음으로 밤잠을 설쳤다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀은 내시경에 장착해 실시간 조직검사를 할 수 있는 초소형 현미경을 개발, 광학분야 세계적 학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express) 3월 5일자 온라인판에 게재됐다.
지름이 3.2mm에 불과한 이 현미경은 20f/s(초당 프레임 수)의 속도로 3mm 깊이까지 3차원으로 스캔할 수 있다. 분해능(최소 식별 거리)은 머리카락 두께(100μm)의 약 1/6인 17μm(마이크로미터, 100만분의 1미터)로 암세포, 정상세포, 염증세포 등을 정확하게 구별해 낼 수 있다.
이 기술 개발로 △보통 2~3일 걸리던 조직검사를 실시간으로 수행할 수 있고 △불필요한 조직검사 횟수를 줄일 수 있으며 △점막절제술 시 정확한 위치에 대한 시술이 가능해져 합병증을 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이와 함께 현재 전 세계 의료용 내시경장비는 일본 업체들이 독점하고 있어 진입장벽이 매우 높지만 정 교수 연구팀의 초소형 현미경 개발로 우리 기술이 새로운 의료기기 시장에 진입할 수 있을 것으로 기대된다.
기존 내시경 조직검사는 의심되는 병변부위를 절제한 후 현미경으로 조직검사를 수행하기 때문에 실시간 진단이 불가능하다. 또 조직검사 과정에서 세포 염색 등을 위한 시간이 오래 걸려 정확도가 떨어진다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 물리적인 절개 없이 실시간으로 조직을 진단하는 광간섭단층촬영술(OCT, Optical Cohrence Tomography) 등 차세대 영상기법을 내시경에 접목하는 연구가 최근 활발히 진행 중이다.
소화기 내시경(지름 약 11mm)에 최신 영상기술을 접목하기 위해서는 직경 3.5mm이내의 한정된 공간에 초소형 현미경을 구현하는 것이 핵심이다. 최근에는 압전소자와 광섬유를 이용해 직접 스캐닝하는 방식이 주로 사용됐다.
그러나 기존 광섬유 스캐너는 광섬유의 대칭적 구조로 인해 발생하는 물리적 간섭현상에 매우 취약해 임상용 의료내시경 개발에 한계가 있었다.
연구팀은 미세전자기계기술(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems)을 이용해 문제점을 해결했다.
연구팀은 광식각공정 및 심도반응성 이온기술을 이용해 미세 실리콘 보조 구조물을 제작했다. 이를 광섬유와 결합해 구동특성을 변조함으로써 간섭현상을 해결하고 광섬유 스캐너의 안정성을 크게 향상시켰다. 또 스캔 패턴을 변화시켜 시간에 따라 연속적으로 해상도를 높일 수 있는 이미지 복원방법을 구현했다.
그 결과 관찰한 부분의 3차원 구조를 최소 0.5초 내에 측정할 수 있었다. 스캔 시간이 늘어남에 따라 연구팀은 좀 더 정밀한 이미지를 얻을 수 있었다.
정기훈 교수는 “국내 내시경 업체 및 병원과 긴밀한 협력을 통해 시제품 제품 개발에 박차를 가하고 있다”며 “동물실험 및 임상실험을 거쳐 수년 내 상용화 될 것”이라고 제품 출시에 대한 기대감을 내비쳤다.
그림1. (A)광섬유 스캐너의 구동특성 변조를 위한 미세 실리콘 구조물의 제작공정 모식도 (B),(C)제작된 미세 실리콘 구조물 이미지 (D)미세 실리콘 구조물이 결합된 광섬유 스캐너
그림2. 현미내시경이 장착된 의료용 내시경
그림3. (A)내시현미경의 광간섭단층촬영 이미지 (B),(C),(D)개략적인 전체 구조의 파악 후 시간에 따라 정밀한 이미지를 얻을 수 있음. (E),(F)제작된 내시현미경을 통해 0.5초간 측정한 동물조직의 3차원 단층 이미징
그림4. 기존 광섬유(좌측)와 개발된 광섬유 스캐너의 1·2차원 구동 패턴(우측). 물리적 간섭현상으로 인해 깨끗한 라인스캐닝이 어려우며 나선형 스캐닝만 가능했으나 미세 실리콘 보조구조물을 이용해 간섭현상을 해결하고 스캔 패턴을 변형시킴.
2014.03.27 조회수 13422 -
곤충 눈을 모사한 무반사 미세렌즈 개발
정기훈 교수
- KAIST 정기훈 교수 연구팀, 세계적 물리학회지에 표지논문으로 게재돼, 국내외 특허출원 중 -
- 반도체 양산공정 그대로 활용할 수 있어 상용화 기대 커 -- 빛 반사율 1%이하로 낮춰 값비싼 무반사 코팅 대체 가능 -
국내 연구진이 곤충의 눈을 모사해 빛의 반사를 최소화한 무반사 미세렌즈를 개발하는데 성공했다. 이 렌즈는 특히 휴대폰, 디지털카메라 등에 적용된 이미지센서에 활용할 수 있는 데다, 기존 반도체 양산 공정을 그대로 활용할 수 있다는 점에서 상용화에 대한 기대가 크다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 곤충의 눈 표면에 형성된 나노구조를 모사해 저렴하면서도 빛 반사율을 1%이하로 낮춘 무반사 미세렌즈 양산기술을 개발하는 데 성공했다.
KAIST는 정 교수 연구팀이 개발한 이번 기술을 카메라 이미지센서용 미세렌즈에 적용할 경우 집광효율이 높기 때문에 대조 효과와 밝기에 대한 특성이 우수한 고감도 카메라를 만들 수 있다는 점에서 국내외로부터 많은 관심을 받을 것으로 예상된다고 설명했다.
특히 정 교수팀이 개발한 공정은 이미 상용화 중에 있는 기존의 반도체공정을 그대로 활용할 수 있다. 따라서 렌즈 표면에 굴절률이 낮은 막을 여러 번 입히는 기존의 무반사 코팅보다 제품 제작비용이 훨씬 줄어들 것으로 기대된다고 강조했다.
나비, 잠자리 등 곤충의 눈은 대부분 겹눈 2개로 구성돼 있다. 이들 곤충은 겹눈을 형성하는 벌집모양의 낱눈을 약 1만~3만 개를 가지고 있는데, 낱눈에는 수많은 나노 돌기가 빛의 투과를 돕는 역할을 한다.
연구팀은 이 같은 특성을 갖는 곤충의 눈이 오랜 진화를 통해 최적의 조건을 만들어 온 것으로 판단해, 컴퓨터 시뮬레이션을 거쳐 빛이 가장 잘 투과되는 나노 구조라는 것을 알아냈다.
이후 이 구조를 모사해 수십 마이크로미터(㎛) 크기의 카메라 미세렌즈에 적용한 결과 반사율이 기존 10%에서 1%이하로 현격히 감소하는 특성을 확인했다.
정 교수 연구팀은 곤충에서 착안한 무반사 구조를 만들기 위해 기존 반도체 생산에 쓰이는 식각공정을 활용했다.
미세렌즈에 은 박막 코팅을 한 후 저온열처리를 통해 은나노 입자를 미세렌즈 표면에 형성시켰다. 이를 마스크로 삼아 렌즈표면을 건식 식각해 무반사 특성을 갖는 나노구조를 렌즈 곡면에 구현하는 데 성공했다.
정기훈 교수는 “곡면 구조의 카메라 미세렌즈 표면에서 빛의 반사가 심해 집광효율이 감소하는 문제가 있었는데, 몰포나비의 눈에 형성된 나노 구조에 착안해 기술개발에 성공했다”며 “기존 반도체공정을 그대로 이용할 수 있기 때문에 고가의 무 반사 코팅보다 훨씬 저렴한 단가로 카메라 이미지센서용 무반사 미세렌즈에 즉시 적용할 수 있다”고 말했다.
한편, 정기훈 교수가 주도하고 정혁진 박사과정 학생이 참여한 이번 연구는 세계적인 물리학회지 ‘어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letters)’ 최신호(11월 12일자)에 표지논문으로 게재됐으며 현재 국내외 특허 출원중이다.
그림1. 곤충 겹눈(좌), 곤충의 낱눈(우)을 확대한 현미경 사진
그림2. 곤충 겹눈의 나노돌기 구조를 모사한 고효율 미세렌즈 배열. 무반사 렌즈는 일반 렌즈에 비해 표면 반사를 현격히 감소시켜 무반사 렌즈를 통해 맺힌 이미지의 선명도를 증가시킨다.
그림3. 카메라 이미지센서용 미세렌즈 개발 공정
1) 고분자 미세렌즈 배열 전면에 은 박막을 코팅
2) 가열을 통해 은 박막을 은 나노입자로 변형
3) 은 나노입자를 마스크로 삼아 렌즈 식각
4) 은 나노입자 제거하여 무반사 미세렌즈 배열 완성
그림4. 논문표지
2012.11.21 조회수 10673