DGIST, 센서 하나로 빛의 파장 초정밀 복원 기술 개발

GIST·경북대와 공동연구, 반도체 계면 제어로 분광 정확도 향상, 스펙트럼 복원 오차 95.6% 개선...스마트폰·드론·자율주행 등 활용 가능성 주목

[프라임경제] 복잡한 광학 장비 없이 센서 하나만으로 빛에 담긴 다양한 파장 정보를 정밀하게 읽어내는 기술이 국내 대학 공동연구진에 의해 개발됐다. 

사진 왼쪽부터 DGIST(이종수, 이상현)-GIST(윤훈한, 민준호, 요나스)-경북대 나현수 교수. ⓒ DGIST

크고 무거운 기존 분광 장비를 소형화할 수 있는 새로운 접근법으로, 차세대 모바일 광학 기술의 발전에도 영향을 미칠 것으로 기대된다.

DGIST와 GIST, 경북대학교 연구진이 기존 분광 센서의 한계를 극복할 수 있는 새로운 광신호 분석 기술을 선보였다. 

DGIST 에너지공학과 이종수 교수, GIST 반도체공학과 윤훈한 교수, 경북대 전자공학부 나현수 교수가 이끄는 공동연구팀은 단일 광검출기에서 수집한 전기적 반응만으로 복합적인 빛의 파장 정보를 정밀하게 재구성하는 기술을 확보했다.

이번 성과는 분광 장비의 구조를 단순화하면서도 분석 정확도를 높였다는 점에서 주목된다.

빛을 이용해 물질의 성분이나 상태를 파악하려면 파장별 에너지 분포를 측정해야 한다. 이를 담당하는 분광기는 산업용 검사장비와 환경 측정, 의료 진단 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 

그러나 정밀한 측정을 위해 여러 광학 부품과 검출 소자를 조합해야 하는 기존 방식은 장비의 크기와 제작 비용, 전력 소비를 줄이는 데 어려움이 있었다.

인공지능을 이용해 센서가 받아들인 신호를 계산적으로 복원하는 기술이 대안으로 등장했지만, 여러 파장의 빛이 한꺼번에 들어오면 각각의 신호가 겹치면서 정확한 판별이 어려워지는 문제가 남아 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 센서 내부의 전기적 반응 자체를 다르게 만들어 빛의 정보를 구분하는 방법을 고안했다.

이를 위해 이황화몰리브덴(MoS₂)과 이셀렌화텅스텐(WSe₂)을 결합한 3층 반도체 소자를 제작하고, 두 방향에서 전압을 조절할 수 있는 특수 접합 구조를 도입했다. 두 전압을 조합해 반도체가 맞닿는 경계면의 에너지 상태를 세밀하게 바꾸는 방식이다.

동일한 빛이 센서에 들어오더라도 전압 설정에 따라 서로 다른 전류 반응을 얻을 수 있기 때문에, 기존에는 구분하기 어려웠던 복합 광신호를 여러 형태의 데이터로 확보할 수 있다. 

이후 이 데이터를 인공지능 기반 분석에 활용하면 각 파장에 해당하는 정보를 보다 정확하게 되살릴 수 있다는 것이 연구진의 설명이다.

실제 성능 평가에서는 기술적 개선 효과가 뚜렷하게 나타났다. 파장별 반응이 서로 겹치는 정도를 32% 이상 줄였으며, 여러 파장이 혼합된 빛을 원래의 스펙트럼으로 되돌리는 과정에서 발생하는 오차도 기존 기술보다 95.6% 감소했다.

영상 데이터의 품질을 나타내는 최대 신호 대 잡음비는 기존 14.1dB에서 27.7dB까지 높아졌다. 미세한 전류만 발생하는 측정 조건에서도 빛의 스펙트럼과 색상 분포를 안정적으로 복원하는 데 성공했다.

이는 센서의 개수를 늘리거나 복잡한 광학계를 추가하지 않고도 측정 결과의 신뢰도를 높일 수 있음을 보여주는 결과다. 특히 소형화가 중요한 전자기기에 분광 기능을 결합하는 데 유리한 기술적 기반을 마련했다는 평가다.

활용 분야도 다양할 것으로 예상된다. 스마트폰에 탑재하면 별도의 대형 장비 없이 주변 물질의 광학적 특성을 분석할 수 있고, 드론에는 원격 환경 감시와 물질 판별 기능을 접목할 수 있다. 

자율주행차와 웨어러블 기기 등에서도 주변 환경을 인식하거나 특정 광학 정보를 수집하는 지능형 센서로 발전할 가능성이 있다.

이종수 DGIST 교수는 "단일 검출 소자를 활용하면서도 빛의 파장 정보와 영상 복원 성능을 함께 개선했다는 점"을 이번 연구의 중요한 성과로 설명했다. 향후 기존 분광 장비의 크기와 무게를 줄이고 전력 소모를 낮추는 차세대 광센서 기술로 확장할 수 있을 것으로 내다봤다.

윤훈한 GIST 교수는 "반도체 접합면의 에너지 장벽을 전기적으로 조절해 빛을 통해 만들어진 전하의 이동 특성을 바꾼 것"이 핵심이라고 밝혔다. 반도체 소자 설계와 인공지능 분석 기술을 결합해 기존 센서의 정보 처리 능력을 끌어올렸다는 점에서 융합기술의 새로운 가능성을 보여준다고 평가했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 우수신진연구사업과 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, DGIST·GIST 전략연구사업의 지원을 받아 추진됐다.

이종수 DGIST 교수와 윤훈한 GIST 교수, 나현수 경북대 교수는 공동 교신저자로 연구를 이끌었으며, 이상현 DGIST 박사와 민준호 GIST 석박사통합과정생, 요나스 GIST 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 관련 논문은 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 게재됐다.