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초소형 센서에 인공지능(AI) 알고리즘을 결합해 단 한 번의 이미지 촬영만으로 정밀한 스펙트럼 정보를 재구성할 수 있는 신개념 계산 분광기 기술이 개발됐다. 의료나 산업 공정 등 다양한 분야에서 소형 기기로도 다양한 물질의 성분을 분석할 수 있을 것으로 기대된다.
이흥노 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학과 교수 연구팀은 다층 박막 필터 기반 초소형 센서에 AI 복원 알고리즘을 결합해 기계적 움직임 없이 한 번에 빛의 모든 파장을 얻을 수 있는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
다층 박막 필터는 서로 다른 굴절률의 얇은 막을 여러 겹 프로젝트파이낸싱사례 쌓아 만든 매우 작은 필터다. 눈에 보이지 않는 빛을 이용해 보이지 않는 물질의 속성을 알아내는 분광기에서 스펙트럼 정보를 효율적으로 추출하는 데 활용된다. 의료 진단, 식품 품질 검사, 환경 오염 감시를 비롯해 예술품 감별 분야에서도 사용된다. 
기존의 고해상도 분광기는 정밀하게 파장을 분석하려면 크고 무거운 기계장치가 필요했다. 또 복 저신용자대출 잡한 구조와 긴 측정 시간 때문에 실시간 현장 적용에도 제약이 많았다. 실시간 분석이 가능하고 소형화된 기존 분광기는 복원 정확도나 해상도의 한계 때문에 상용화에 어려움을 겪어왔다.
새로 개발된 분광기는 기계를 사용해서 스캔하지 않고도 고정밀 파장 분석이 가능한 초분광 융합 기술이 완성됐다는 평가다. 초분광 기술은 일반 분광 기술보다 빛을 기숙사 생활 더 세밀하게 쪼개 더 많은 정보를 기록하고 분석하는 기술이다. 
신개념 계산 분광기는 센서가 포착한 데이터를 전체 스펙트럼으로 성공적으로 복원해내는 방식으로, 한 번에 모든 스펙트럼 정보를 파악하도록 설계했다. 굴절률이 다른 이산화타이타늄(TiO₂)과 이산화규소(SiO₂) 박막을 조합해 36개의 서로 다른 필터를 설계하고, 이를 6*6 직장인학생대출 배열로 구성해 상용 CMOS 이미지 센서 위에 장착했다.
CMOS 센서는 빛을 전기 신호로 변환하는 반도체 기반 센서다. 이렇게 제작된 센서는 단일 이미지 촬영만으로 500~850nm 범위의 파장 정보를 필터 단위로 측정할 수 있다. 이는 가시광선과 인간이 감지하기 어려운 근적외선 일부까지 동시에 상세히 분석할 수 있다는 의미다. 
영화제공정밀도도 매우 높았다. 파장 범위(500~850nm) 전체를 분석한 결과 AI가 복원한 스펙트럼 데이터와 실제 측정된 데이터 사이의 평균 오차가 0.0288에 불과했다. 0에 가까울수록 오차가 적다는 의미인데, 이 수치는 실제 값과 거의 비슷한 정도로 매우 정밀하다는 의미다. 다층 박막 필터의 구조적 균열성과 높은 제조 수율도 강조했다.
연구팀은 "센서의 전체 크기를 기존보다 대폭 줄여 모바일 기기, 웨어러블 기기, 현장 진단 플랫폼 등 다양한 응용 환경에 직접 탑재할 수 있는 수준의 초소형화를 실현했다"고 말했다. 거대언어모델(LLM)과 결합하면 스마트폰 내부에 장착된 초분광 카메라로 건강 상태나 식품 품질을 스캔하고, 그 결과를 실시간 안내받는 사용자 경험도 가능해질 것이라고 연구팀은 설명했다. 
이 교수는 "초소형 하드웨어와 AI 알고리즘을 통합해 계산 분광기의 정밀도와 효율성을 동시에 끌어올린 사례"라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'에 1일 온라인으로 게재됐다.   
[정지영 기자 jjy2011@donga.com]