- KAIST 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀,  메타 샥-하트만 파면 센서 개발

- 기존의 샥-하트만 파면 센서의 영역 넘어 복잡한 물체의 위상 이미징 기술로 활용 가능

- 초기 의학 진단, 현장 품질 검증과 사물 인식을 통한 자율 주행 등 다양한 응용 가능

(왼쪽부터) KAIST 바이오및뇌공학과 장무석 교수, 고기현 박사

자율주행에서 물체의 모양과 위치를 정확히 추적할 수 있는 기술이 필요하다. 또한, 생물학적 세포, 박막, 미세구조 및 기타 유사한 물질들을 화학 염색 없이도 상세하고 높은 대비로 관찰할 수 있는 기술은 의료 및 산업 현장에서 중요하다. 하지만 기존 기술들은 간섭계를 사용하기 때문에 크고 복잡한 장비가 필요하고 주변 환경에 민감해 실제 현장에서의 활용이 제한됐다. KAIST 연구진이 이러한 한계를 극복하고 다양한 응용 분야에서 활용할 수 있는 신개념 빛 측정 기술을 개발해서 화제다.

KAIST 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 세계 최초로 메타표면*으로 성능이 대폭 향상된 파면 센서를 이용해 복잡한 물체의 단일 측정 위상 이미징 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

*메타표면: 나노미터에서 마이크로미터 스케일의 기하학적 구조를 가지는 나노 구조체들로 이뤄진 평면으로, 각 나노 구조체의 모양에 따라 매우 미세한 규모에서 전자기파의 전파 경로, 위상, 편광, 진폭 등을 제어할 수 있음

파면은 파동이 동일한 위상을 가지고 있는 지점들을 연결한 면이다. 바다에서 보이는 파도는 일상생활에서 볼 수 있는 파면의 한 예다. 파도가 장애물을 만나거나 환경이 달라지면 모양이 바뀌듯, 빛의 파면도 물체를 통과하거나 반사될 때 물체의 모양에 따라 변한다. 따라서 물체를 통과하거나 반사된 빛의 파면을 분석하면, 물체에 의해 변화되는 빛의 위상 정보를 얻을 수 있다.

물체에 의한 파면 변화, 파면센서에서 렌즈 배열의 작동원리

샥-하트만 파면 센서(Shack-Hartmann wavefront sensor)는 렌즈 배열과 카메라가 결합된 구조로, 각 렌즈에 입사하는 파면의 경사도에 따라 달라지는 초점의 위치를 분석해 입사된 빛의 파면을 복구한다. 샥-하트만 파면 센서는 간단한 구조와 높은 견고성으로 천문학 및 광학 시스템 평가 등 산업 현장에서 널리 사용되고 있다. 하지만, 기존 샥-하트만 파면 센서는 마이크로 렌즈 크기 때문에 공간해상도가 1 mm2 당 100개 수준으로 제한되어 복잡한 물체의 위상 이미징이 불가능했다.

연구팀은 나노 공정 기술을 통해 제작된 메타표면을 이용해 이 문제를 해결했다. 이번 연구에서 메타표면 기술로 제작된 메타 렌즈를 활용해 시판되고 있는 샥-하트만 파면 센서보다 약 100배 높은 공간해상도를 가지는 메타 샥-하트만 파면 센서를 개발했다. 개발된 메타 샥-하트만 파면 센서는 높은 공간해상도를 이용해 기존 샥-하트만 파면 센서로는 측정이 불가능했던 복잡한 구조체의 위상 이미지를 얻는 데 성공했다.

메타표면으로 향상된 샥-하트만 파면센서 기술

또한 연구팀은 메타 샥-하트만 파면 센서를 통해 3차원 위치를 추적했다. 이 과정에서, 메타 샥-하트만 파면 센서가 거의 모든 가시광 영역에서 작동하며, 기존 샥-하트만 파면 센서보다 약 10배 큰 시야각을 가지는 것을 확인했다. 이 기술을 활용하면 넓은 영역에서 물체의 3차원 위치의 추적이 가능하다.

연구를 주도한 고기현 박사는 “메타 샥-하트만 파면 센서는 기존 기술보다 견고하고 작은 크기를 가지는 장비로서 초기 질병 진단, 제조 공정의 결함 검출과 자율 주행 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 "메타 샥-하트만 파면 센서는 기존 기술의 한계를 극복하고, 위상 이미징 기술의 새로운 기준을 세웠다”며, “이번 연구에서는 메타 샥-하트만 파면 센서의 개념 검증에 집중했고, 향후 메타표면의 우수한 빛 조작 능력을 활용해 초소형·다기능 메타 파면 센서를 개발하는 데 주력할 것이다”라고 밝혔다.

메타 샥-하트만 파면센서의 응용 분야

KAIST 바이오및뇌공학과 고기현 박사가 제1 저자, 장무석 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `라이트:사이언스&어플리케이션즈(Light:Science&Applications)'에 지난 8월 12일 字 출판됐다. 논문명은 Meta Shack-Hartmann wavefront sensor with large sampling density and large angular field of view: Phase imaging of complex objects이다. 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 주관하는 바이오·의료기술개발사업, STEAM연구사업, 선도연구센터지원사업(ERC), 우수신진연구자사업, 교육부가 주관하는 박사후국내연수사업, 삼성미래기술육성사업, 삼성설비연산학과제의 지원을 받아 수행됐다.

□ 연구개요

연구 배경

광학 위상 이미징 기술은 생물학적 세포, 박막, 미세구조와 같은 투명하거나 반투명한 구조와 재료를 시각화하고 분석하는 데 필수적이다. 하지만 빛의 위상은 진동 주파수가 매우 높아 일반적인 전자 장치로 측정이 불가능하다. 따라서 빛의 위상 정보를 간접적으로 얻기 위해 간섭 또는 복잡한 계산 알고리즘을 사용해왔다. 하지만 기존의 위상 이미징 기술은 빛의 간섭 현상을 이용하기 때문에 주변 환경에 민감하며, 크고 복잡한 장비가 필요해 실제 현장에서 사용이 제한되었다. 이러한 한계를 극복하고 다양한 응용 분야에서 활용할 수 있는 새로운 기술 개발이 절실하다.

2. 연구 내용

이번 연구에서는 메타표면을 활용하여 기존의 샥-하트만 파면 센서(Shack-Hartmann wavefront sensor, SHWFS)를 혁신적으로 개선한 메타 샥-하트만 파면 센서를 개발하였다. 연구진은 나노 공정 기술을 활용해 1mm2 영역에 100×100 메타렌즈 배열을 제작하였으며, 이를 통해 복잡한 생체 조직 패턴을 포함한 다양한 물체의 위상 이미지를 얻는 데 성공하였다. 또한 멀리 떨어진 비결맞음 광원에 대한 파면을 복구하고 3차원 위치를 추적하는 데에도 성공하였다. 메타 샥-하트만 파면 센서는 기존 장비보다 작고 간단한 구조로 제작되어 다양한 환경에서 안정적으로 작동할 수 있다.

3. 기대 효과

기존 위상 이미징 기술 대비 높은 안정성과 작은 크기를 통해, 의료 분야에서는 초기 질병 진단, 정밀 내시경 검사등에 활용될 수 있으며, 산업 분야에서는 반도체 계측 및 검사, 제조 공정의 결함 검출 및 품질 관리에 중요한 역할을 할 수 있다. 또한 비결맞음 광원에 대한 3차원 위치 추적이 가능하므로, 사물 인식이 중요한 자율 주행 등에서의 활용이 기대된다.