‘곤충인 제노스 페키(Xenos peckii)의 눈 구조 모사, 내시경, 웨어러블 기기 적용 기대’
우리학과 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.
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 소형화는 초박형 디지털카메라에 대한 수요를 증가시켰다. 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.
□ 연구개요
1. 연구배경
실제 곤충 눈과 매우 유사한 생체모사카메라 개발은 평면 형태와 곡면 형태 두 가지로 분리할 수 있는데 평면 형태의 경우 제작에는 용이하나 기능면에서 광시야각이 제한되는 단점이 있다. 최근 곤충 눈과 같이 곡면의 이미지 센서를 결합한 생체모사카메라에 관한 연구가 있었고 실제 곤충 눈처럼 곡면 위에 미세렌즈 및 이미지센서를 집적시키고 영상처리를 하는 기술이 개발되고 있으나 곡면형 이미지센서는 아직 분해능이 낮으며 공정이 복잡하고 양산성이 매우 낮은 단점이 있어 양산을 고려한 생체모사카메라의 개발을 위한 연구가 더욱 시급한 실정이다.
2. 연구내용
자연계에 존재하는 다양한 생체 시각구조 중에서도 곤충의 겹눈구조는 수백에서 수천 개의 오마티디아라고 불리는 아주 작은 광학 구조로 이루어져 있어 작은 부피를 유지하면서도 넓은 광시야각을 가지며 물체의 빠른 움직임을 감지할 수 있다는 장점이 있다. 그 중에서도 ‘Xenos peckii’는 독특한 시각구조를 지니고 있다. 자연계에 존재하는 일반적인 겹눈구조에서는 수백, 수천 개의 오마티디아에서 한 영상을 얻는 반면 ‘Xenos peckii’는 각 오마티디아마다 개별의 영상을 획득하는 것으로 밝혀졌다. 또한 오마티디아 사이에는 빛을 흡수할 수 있는 독특한 구조를 가지고 있어 각 영상 간의 간섭을 막는다 (그림 1).
KAIST 정기훈 교수 연구팀은 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 ‘Xenos peckii’의 시각 구조에서 영감을 얻어 마이크로프리즘 어레이와 마이크로렌즈 어레이로 구성된 초박형 렌즈를 제작하였는데 제작에는 양산이 가능한 MEMS 공정을 이용하였으며 볼 렌즈 임프린팅 및 3D 모세관 충진 기법과 같은 새로운 기술을 적용하여 렌즈를 제작하였다. 이 후 렌즈를 평면의 이미지 센서 위에 바로 집적시켜 초박형 디지털 카메라를 완성하였다 (그림 2).
완성된 초박형 디지털 카메라는 2mm 이내의 매우 작은 크기를 가지며 각기 다른 광축의 방향 갖는 마이크로프리즘 어레이를 통하여 다른 평면 형태의 생체모사 카메라에 비해 넓은 광시야각을 확보할 수 있다 (그림3). 한편 마이크로프리즘 어레이 사이는 흑색 폴리머로 충진되어 프리즘 간의 빛의 간섭을 방지할 수 있으며 이에 따라 광학적 크로스토크 현상 없이 영상을 획득할 수 있다. 확보된 영상들은 영상처리기술을 통해 하나의 영상으로 복원시킬 수 있으며 복원된 영상은 단일 영상보다 더 선명해진 이미지를 가지며 더 넓은 영역을 관측할 수 있는 것으로 확인되었다 (그림4).
□ 그림 설명
그림 1. (좌) Xenos peckii 의 Scanning electron micrograph (SEM) 영상. (우) 형광 염색된 Xenos peckii의 시각구조
그림 2. (좌) MEMS 공정을 통해 제작된 마이크로프리즘 어레이의 SEM 영상. (우) 완성된 초박형 디지털 카메라의 광학 영상.
그림 3. (좌) Xenos peckii의 시각기관을 통해 얻은 영상. (우) 초박형 디지털 카메라를 통해 얻은 영상.
그림 4. (좌) 복원되기 전의 단일 영상과 영상처리로 복원된 후의 영상. (우) 단일 영상과 복원 영상의 modulation transfer function (MTF) 비교그래프.
□ 용어설명
광시야각 ( Field of view)
광학계 혹은 촬영계에 의해 관측할 수 있는 범위. 각도의 단위로 나타낸다. 광학계에 있어서는 입사동의 중심이 관측창의 지름에 대하여 맞서는 각도, 촬영 광학계에 있어서는 촬영 화면의 대각선이 촬영 렌즈의 절점과 이루는 각의 반이 되는 각도, 복사 측정 광학계에 있어서는 광축 밖에서의 수광 에너지가 광축상의 수광 에너지의 반이 되는 각도에서 정의된다.
광학적 크로스토크 현상 (Optical Crosstalk)
크로스토크는 대개 어떤 통신회선의 전기 신호가 다른 통신 회선과 전자기적으로 결합하여 통신 시스템 상의 혼선을 일으키는 현상인데 광학에서는 복수의 렌즈 어레이를 통해 영상을 획득하는 경우 한 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈로부터 들어온 빛과 겹쳐 생기는 현상으로 영상이 중첩되어 촬영되는 것을 의미한다.
분해능 (resolving power)
점 혹은 선을 광학적 수단으로 결상시키면 일반적으로 넓이를 가진 상이 되며 두 점의 경우는 그들이 겹쳐져 두 점으로서 구별이 불가능하다. 또 간섭 줄무늬도 마찬가지로 유한한 폭이 있으므로 마찬가지 일이 일어난다. 분해할 수 있는 능력을 분해능이라 한다. 분해능이 높을수록 더 선명한 영상을 얻을 수 있다.
