KAIST 연구진이 스마트폰이나 웨어러블 기기에 내장시켜 일상생활에서도 활용 가능한 초소형 고해상도 분광기 기술을 개발했습니다.


KAIST(총장 이광형)는 13일, 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 ‘이중층 무질서 메타표면’을 이용한 복원 기반 분광기 기술을 개발했다고 밝혔습니다.


연구팀이 개발한 장치는 기존 수십 센티미터 크기의 고분해능 분광기와 달리, 손톱보다 작은 1cm 미만의 크기로 구현됐습니다.


단 한 장의 영상만으로 가시광선부터 근적외선에 이르는 440~1,300 나노미터(nm) 범위의 빛을 1nm 수준의 고해상도로 측정할 수 있습니다.


색은 빛의 파장이 인간의 눈에 인식되는 방식으로, 단순한 미적 요소를 넘어 물질의 성분과 상태 등 중요한 과학적 정보를 담고 있습니다.


이 정보를 분석하는 분광기는 기존에는 크고 복잡해 일상에 활용이 어려웠습니다.


연구팀은 빛의 파장을 빛의 진행 방향으로 분리하는 기존 분광 방식에서 벗어나, 두 겹의 무질서한 나노 구조층을 활용하는 ‘이중층 메타표면’을 개발했습니다.


이 구조는 빛을 복잡하게 산란시켜 파장별로 고유하고 예측 가능한 ‘스페클(Speckle)’ 패턴을 생성합니다.


‘스페클’은 여러 파면의 빛이 간섭하면서 형성되는 불규칙한 밝기의 광 패턴으로, 연구팀은 이를 카메라로 촬영한 후 빛의 파장을 역산해 복원하는 기술을 구현했습니다.


이 과정은 복잡한 보정이나 기계적 부품 없이, 메타표면과 소프트웨어만으로 구현됩니다.


연구 제1저자인 KAIST 이동구 박사과정 연구원은 “이 기술은 상용 이미지 센서에 직접 통합할 수 있어, 스마트폰이나 웨어러블 기기에서도 빛의 색 정보를 실시간으로 확인하고 활용할 수 있다”고 설명했습니다.


장무석 교수는 “이번 기술은 RGB 삼원색 기반의 기존 머신 비전 한계를 극복해, 일상 수준의 머신 비전 기술을 실험실 수준으로 확장할 수 있다”며“음식 성분 분석, 농작물 생육 상태 진단, 피부 건강 측정, 환경 오염 감지, 바이오·의료 진단 등 다양한 응용이 기대된다”고 밝혔습니다.


또한 “이번 기술은 초분광 영상, 3D 광집속, 초고속 이미징 등 첨단 광학 분야로도 확장 가능하다”고 덧붙였습니다.


이번 연구 결과는 국제 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 2025년 5월 28일자 온라인판에 게재됐습니다.


이번 연구는 이동구, 송국호 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 장무석 교수가 교신저자로 참여했습니다.


연구는 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 우수신진연구자사업, 선도연구센터지원사업(ERC), 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐습니다.

TJB 대전방송 ((왼쪽부터) 장무석 교수, 이동구 박사과정, 송국호 박사과정)