소금 알갱이 만큼 작은 카메라

 

(Researchers at Princeton University and the University of Washington have developed an ultracompact camera the size of a coarse grain of salt. The system relies on a technology called a metasurface, which is studded with 1.6 million cylindrical posts and can be produced much like a computer chip. Credit: Princeton University)

(Previous micro-sized cameras (left) captured fuzzy, distorted images with limited fields of view. A new system called neural nano-optics (right) can produce crisp, full-color images on par with a conventional compound camera lens. Credit: Princeton University)

 현대적인 카메라는 여러 겹의 렌즈를 지니고 있습니다. 작은 스마트폰 카메라도 예외는 아닙니다. 렌즈를 통해 들어오는 빛이 정확히 초점을 맞춰야 하기 때문입니다. 정확한 상을 맺기 위해서는 다른 대안이 없지만, 사실 이런 구조로 인해 카메라의 크기를 얇고 작게 만들기 어려워지는 단점이 있습니다. 카메라를 연구하는 과학자들은 렌즈가 필요 없는 새로운 디자인의 카메라를 개발하고 있습니다. 물론 렌즈가 없으면 이미지가 흐려지지만, 대신 매우 작게 만들 수 있습니다. 

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 프린스턴 대학과 워싱턴 대학 연구팀은 작은 소금 알갱이 크기의 초박막 카메라를 개발했습니다. 불과 0.5mm 너비의 카메라에는 총 160만 개의 작은 기둥 같은 표면 구조물이 있는데, 그 크기는 HIV 바이러스 수준에 불과합니다. 이런 미세 구조를 지닌 물질을 메타서피스 (metasurface)라고 부릅니다. 연구팀이 개발한 메타서피스는 별도의 렌즈 없이도 다양한 파장에서 빛을 받아 이미지로 전환할 수 있습니다. 하지만 6개의 렌즈를 지닌 일반적인 스마트폰 카메라 같은 이미지가 아닌 다소 흐릿한 이미지가 될 수밖에 없습니다. 

 연구팀이 개발한 돌파구는 신경망 기반 이미지 프로세싱 기술입니다. 뉴럴 나노 광학 (neural nano-optics) 기술을 적용한 이미지는 합성 이미지 같은 느낌이 확실히 들긴 하지만, 카메라의 작은 크기를 생각하면 납득할 수 있는 결과물입니다. 연구팀은 비슷한 이미지를 얻을 수 있는 카메라보다 메타서피스 카메라의 부피가 50만 배 작다고 주장했습니다.  

 이런 초미세 카메라의 목적은 스마트폰이나 일반 카메라를 대체하기 위한 것이 아니라 실용적인 초미세 카메라를 개발해 마이크로 로봇, 주사 바늘을 이용한 초미세 내시경, 미니 센서 등에 적용하기 위한 것으로 생각됩니다. 작기만 하고 이미지 결과물이 진짜 카메라보다 못하다면 대체는 불가능하기 때문입니다. 

 다만 아무리 작아도 대량 생산이 어렵다면 사용화는 불가능합니다. 연구를 이끈 워싱턴 대학의 전자 및 컴퓨팅 엔지니어링 학부(University of Washington Department of Electrical & Computer Engineering (UW ECE))의 (Shane Colburn)의 셰인 콜번 (Shane Colburn)은 메타서피스 카메라를 개발하고 상업화시키기 위해 스핀오프 스타트업인 튜놉픽스 (Tunoptix)를 설립하고 참여했습니다. 연구팀은 반도체 제조 기술과 유사한 방법으로 저렴한 가격에 메타서피스 카메라를 대량 생산할 수 있다고 주장했습니다. 

 실제로 상용화될 수 있을지는 두고봐야 알겠지만, 흥미로운 기술이라는 점은 분명합니다. 다만 상당한 컴퓨팅 파워를 필요로 한다는 점에서 카메라만 작고 시스템 전체 크기는 작지 않을 수 있으며 비용도 생각보다 많이 들 수 있습니다. 진짜 실용적인 기술이 될 지 궁금합니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2021-11-camera-size-salt-grain.html

Ethan Tseng et al, Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26443-0