나노기술 및 정책 정보

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한국과학기술원(KAIST)은 바이오및뇌공학과 정기훈 교수팀이 금속 나노 광 흡수층을 통해 고해상도 4D 영상 구현이 가능한 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다고 4일 밝힘.

3차원 영상은 현실 세계를 직관적으로 표현하는 기술로 의료, 생체인식, 군사, 휴대폰 카메라 분야에서 지속적인 발전이 이루어지고 있음.
기존의 3차원 카메라는 외부 광원 또는 2대 이상의 카메라가 필요해 소형화에 여전히 한계가 있음.

라이트필드 카메라는 일반 카메라 사이에 미세렌즈를 삽입한 단순한 형태로 특정 물체에 초점을 두지 않고 공간 및 방향의 4D 데이터를 한 번의 촬영으로 획득할 수 있음.
또 곤충의 시각 구조에서 발견되는 형태에 착안해 미세렌즈와 대물렌즈를 결합한 진보된 형태임. 

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하지만 기존의 미세렌즈 배열이 갖는 광학 크로스토크로 인한 낮은 대비도 영상은 라이트필드 카메라의 해상도를 떨어뜨려 분해능과 감도가 떨어지는 단점이 있음.
이를 극복하고자 하는 다양한 시도가 존재하나 카메라 전체 크기가 커지거나 차단하는 빛의 파장 범위가 제한적임.
따라서 초소형 4D 카메라로서 높은 해상도를 위한 광흡수층을 갖는 라이트필드 카메라의 개발이 필요한 실정임.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 나노 두께의 광 흡수 구조를 미세렌즈 배열(Microlens arrays) 사이에 삽입해 대비도 및 해상도를 높인 4D 카메라를 개발함.
이로써 기존의 카메라가 가지는 외부 광원, 추가 센서 부착의 한계를 극복함.

연구과정을 보면 미세렌즈 배열의 광학 크로스토크를 제거하기 위해 200나노미터 (nm) 두께 수준의 금속-유전체-금속 박막으로 이루어진 광 흡수층을 렌즈 사이에 배치함.
이어 대물렌즈와 미세렌즈 사이의 간격을 일정 수준으로 줄여 초박형 라이트필드 카메라를 개발함.

이 카메라의 특성은 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 있음.

또 나노 광 흡수층을 미세렌즈 배열 사이에 배치해 미세렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 제거하고 고 대비 및 고해상도 3차원 영상을 획득하는 데 도움을 줌.

이후 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈 배열을 포토리소그래피 (Photolithography), 리프트 오프(Lift-off), 열 재유동(Thermal reflow) 공정을 통해 양산 제작함.

특히 라이트필드 카메라의 전체 두께를 최소화하기 위해 미세렌즈의 방향을 이미지센서 방향의 역방향으로 배치하고 대물렌즈와 미세렌즈 사이 거리를 2.1mm 수준으로 줄여 전체 5.1mm의 두께를 가짐. 이는 현재까지 개발된 라이트필드 카메라 중 가장 얇은 두께임.

이 연구결과에 의하면 나노 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈에 의해 이미지센서에 기록되는 원시 영상은 기존 미세렌즈를 통한 영상에 비해 높은 대비도와 해상도를 가짐.

정기훈 교수는 "초박형이면서 고해상도의 라이트필드 카메라를 제작하는 새로운 방법을 제시했다"며 "이 카메라는 생체인식, 의료 내시경, 휴대폰 카메라와 같이 다시점(Multi-view), 재초점(Refocusing)을 요구하는 초소형 영상장치로 통합돼 초소형 4D 카메라의 새로운 플랫폼으로 활용될 것"이라고 말함.

KAIST 바이오및뇌공학과 배상인 박사과정이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)에 1월 20일 게재됨.
이 연구는 과학기술정보통신부의 개인연구지원사업, 산업통산자원부의 기술혁신프로그램, 보건복지부의 보건의료기술연구개발사업으로 수행됨.