분광기의 해상도 한계를 뛰어넘다

       - “불규칙, 저가의 랜덤 필터가 오히려 더 정교할 수 있다는 비상식적 결과 제시”

       - 정보통신공학부 이흥노 교수팀, Optics Express지 2월호 논문 게재

 

 

□ 국내 연구진이 보석이나 문화재 감정, 마약탐지나 의약품 순도 분석 등에 쓰일 수 있는 나노해상도 소형분광기*의 개발 가능성을 열었다. 기존 분광기에 쓰이는 고가의 필터를 연구팀이 저비용으로 생산한 랜덤필터로 대체할 경우 분광기의 소형화에 기여할 것으로 기대된다.
 (* 분광기: 물체로부터 나오는 갖가지 빛의 파장의 세기를 측정하여 그 정보를 그래프 형태로 나타냄. 현대의 광학, 화학, 해양공학 등 산업분야 전반에서 광범위하게 사용되는 측정기구)

  ○ "무작위의", "마구잡이로의" 라는 사전적 의미를 갖는 랜덤(Random)이라는 단어는 일반인들은 Fluke 등과 같은 뜻으로 생각지도 않은 우연한 성공을 거둔 경우를 말할 때 쓰기도 한다. 가령 당구나 골프를 칠 때 잘못된 샷이 성공을 거둘 때 Random 혹은 Fluke 샷이라 한다. 이번 연구는 불규칙한 저가의 분광기 제작방법을 수학으로 개선해 줄 경우, 기존 필터제작 방법으로 섬세하게 만든 분광기보다 훨씬 더 정교한 분광결과를 만들어 낼 수 있다는 흥미로운 결과다. 

  ○ 광주과학기술원 이흥노 교수가 주도하고 올리버 박사 및 이웅비씨가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 광학분야 권위지 Optics Express지 2월 12일자에 게재되었다. Optics Express지에 22쪽 분량의 장문의 논문이 소개되는 것은 드문 일이다. (논문명 : Filters with random transmittance for improving resolution in filter array based spectrometers)

 

 

□ 기존 필터배열 기반 분광기*의 해상도를 높이기 위해서는 필터를 보다 더 정교하게 제작하거나 필터의 개수를 증가시켜야 한다. 따라서 제작비용이 높아지고 분광기가 커질 수밖에 없는 단점이 있었다.
(* 필터배열 기반 분광기 : 서로 다른 특성(투과율)을 갖는 광학필터로 이루어진 필터배열을 통과한 빛을 측정하는 기구)
 ○ 이를 극복하고자 간단한 수학적 알고리즘을 담은 소프트웨어 기반분광기가 개발된 바 있지만 여전히 필터제작 공정의 단순화와 분광기의 소형화라는 숙제를 안고 있었다.

 

□ 이 교수 연구팀은 측정대역안의 모든 파장의 빛을 랜덤한 투과율로 감지하는 배열필터 방식을 개발하고 이를 소형분광기에 적용한 결과, 반도체팹 공정 방식으로 생산, 특정 파장의 빛만 감지하도록 제작된 고가의 기존 배열필터보다 해상도가 최대 7배 높게 나타났다. 이를 이용하여 인접한 두 파장의 최소 거리가 2.106nm인 수은등의 스펙트럼을 정확히 측정해 냈다.
(* 반도체팹 공정 방식 : 반도체를 생산하는 방식으로 웨이퍼의 표면에 막을 형성 시키고 선택적으로 깎아서 설계된 투과율을 갖는 필터를 만드는 방식. 진공에서 이뤄지는 등 공정이 비교적 복잡하다.)

  ○ 연구팀은 필터의 투과율을 파장별 또 필터별로 랜덤하게 분포하도록 랜덤배열 필터를 만들어냈는데 그 특성은 다음과 같다. 첫째, 하나의 필터는 각 파장의 빛을 랜덤한 투과율로 투과하며 파장별 투과율이 서로 상이하게 다르도록 한다. 둘째, 서로 다른 두 개의 필터의 투과율 간에 상관관계가 매우 적도록 한다. 랜덤배열 필터는 위의 두가지 특성을 동시에 만족시키지만 정규배열 필터는 첫 번째 특성을 만족하지 못한다.

  ○ 연구팀은 비교적 간단한 박막기술*을 이용하여 동일한 두께로 층층이 쌓여있는 막의 두께를 임의로 변화시키는 방식으로 전체 파장 대역의 빛을 감지하면서도 투과율을 랜덤하게 조절할 수 있었다.
(* 박막기술 : 수십 나노미터 두께로 특정 기판 상에 유전체층 등의 물질을 층층이 올려붙이는 기술)

  ○ 수학을 랜덤 배열 필터 결과에 적용하여 높은 해상도를 갖는 분광정보를 추출한다는 말은 무슨 말일까? 각각의 랜덤필터는 그 첫째 특성상, 측정대역안의 모든 파장의 빛을 고루 감지하면서도, 파장별로 투과율이 서로 상이한, 즉 독립적인 스펙트럼 정보를 얻는다. 또 랜덤필터의 둘째 특성상, 즉 랜덤필터는 각각 서로 상관관계가 적은 투과율 필터를 이용하므로, 각각의 필터가 채취한 분광정보는, 서로 판이하게 다르며 독립적이 된다. 이렇게 수집된 여러 개의 분광정보를 모으면, 여러 개의 독립된 정보를 가진 연립방정식을 세울 수 있게 되고, 그것을 풀어 각각의 파장별로 매우 세분화 된 분광정보를 추출할 수 있게 된다. 이는 곧바로 무작위로 불규칙적으로 만든 배열필터로 높은 해상도의 분광정보를 추출함을 의미한다. 또한 작위적으로, 규칙적으로, 정성들여 만든 배열필터로는 랜덤필터의 두 특성을 동시에 만족시킬 수 없으므로, 위 방법으로 해상도를 한계치 이상으로 높일 수 없음을 의미한다.

 

 

□ 이흥노 교수는 “이번 연구결과는 휴대용 분광기 생산의 패러다임을 바꿀 혁신적인 결과로 비상식적으로 쉽고 간단하게 설계할 수 있는 랜덤 필터를 통해 더 높은 해상도를 얻을 수 있다는 사실을 증명한 것”이라며 “이 연구는 분광기 산업뿐만 아니라 위와 같은 신호처리 방식으로 일차 결과를 개선하는 방법이 널리 쓰이는 광학 이미징 산업이나 비디오 산업에도 미치는 파급효과가 상당할 것”이라고 밝혔다.     <끝>

 

(*연구에 대한 보다 자세한 사항은 첨부된 보도자료를 참조)

 

 

 

홍보기금팀