연구
< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 박찬형 박사과정, 물리학과 전재현 학사과정, 전기및전자공학부 장민석 교수 >
스마트폰은 더 얇아지는데, 사진은 더 선명해진다. 국내 연구진이 빛의 흐름을 정밀하게 제어하는 ‘메타물질’ 기술로, 어떤 각도에서도 색이 흐트러지지 않는 새로운 이미지 센서를 개발했다. 카메라의 물리적 한계를 넘어선 구조 혁신이다. 이 기술이 상용화되면 스마트폰은 더욱 얇아지면서도, 어두운 곳에서도 또렷하고 자연스러운 색의 사진을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀은 한양대학교(총장 이기정) 정해준 교수 연구팀과 함께, 빛의 입사각이 달라져도 안정적으로 색을 분리할 수 있는 이미지 센서용 메타물질 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.
기존 스마트폰 카메라는 아주 작은 렌즈로 빛을 한곳에 모아 사진을 찍어왔다. 하지만 카메라 속 픽셀이 너무 작아지면서, 렌즈만으로는 빛을 충분히 모으기 어려워졌다. 이를 대신하기 위해 등장한 나노포토닉 컬러 라우터(Nanophotonic Color Router)는 렌즈로 빛을 모으는 대신, 눈에 보이지 않을 만큼 작은 구조를 이용해 들어온 빛을 색깔별로 정확히 나누는 기술이다. 이 구조는 빛이 지나가는 길을 설계해, 빛을 적색(R), 녹색(G), 청색(B)으로 정밀하게 나누는 메타물질 기반 기술이다.
이 기술은 삼성전자가 ‘나노 프리즘(Nano Prism)’이라는 이름으로 실제 이미지 센서에 적용하며, 상용화 가능성을 이미 보여준 바 있다. 이론적으로도 매우 미세한 나노 구조를 여러 층으로 쌓으면, 빛을 더 많이 모으고 색을 더 정확히 나눌 수 있다는 점이 알려져 있다.
< 사선 입사조건도 문제없는 나노포토닉 컬러라우터 기술 (AI 생성 이미지) >
하지만 기존 나노포토닉 컬러 라우터에는 한계가 있었다. 빛이 정면에서 들어올 때는 잘 작동했지만, 스마트폰 카메라처럼 빛이 비스듬히 들어오는 상황에서는 색이 섞이거나 성능이 크게 떨어졌다. 이러한 문제를 ‘사선 입사(oblique incidence) 문제’라고 하며, 실제 제품에 적용하기 위해 반드시 해결해야 할 과제로 꼽혀 왔다.
연구팀은 먼저 왜 이런 문제가 생기는지부터 살펴봤다. 그 결과, 기존 설계들이 빛이 수직으로 들어오는 조건에만 맞춰 지나치게 최적화돼 있어, 입사 각도가 조금만 달라져도 성능이 급격히 나빠진다는 점을 확인했다. 스마트폰 카메라는 다양한 각도의 빛을 받아들이기 때문에, 각도가 달라져도 성능이 유지되는 특성이 매우 중요하다.
이에 연구팀은 사람이 직접 구조를 설계하는 대신, 컴퓨터가 가장 좋은 구조를 스스로 찾도록 하는 ‘역설계(inverse design)’ 방식을 적용했다. 이를 통해 빛이 들어오는 각도가 달라져도 안정적으로 색을 나눌 수 있는 컬러 라우터 구조를 도출했다.
그 결과 기존 구조는 빛이 약 12도만 기울어져도 제 기능을 거의 하지 못했지만, 새롭게 설계된 구조는 ±12도 범위에서도 약 78%의 광효율을 유지하며 안정적인 색 분리 성능을 보였다. 즉, 실제 스마트폰 사용 환경에서도 충분히 활용할 수 있는 수준이다.
< 사선 입사에 강건한 나노포토닉 컬러 라우터 >
연구팀은 또 메타물질의 층 수나 설계 조건, 제작 과정에서 발생할 수 있는 오차까지 고려해 성능 변화를 분석하고, 입사각 변화에 얼마나 강건할 수 있는지 그 한계도 체계적으로 정리했다. 이번 연구는 현실적인 이미지 센서 환경을 반영한 컬러 라우터 설계 기준을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
장민석 KAIST 교수는 “이번 연구는 컬러 라우터 기술의 상용화를 가로막아 온 입사각 문제를 처음으로 체계적으로 분석하고 해결 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “제안한 설계 방법은 컬러 라우터를 넘어 다양한 메타물질 기반 나노광학 소자 전반에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 전재현 학사과정생과 박찬형 박사과정생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials)’에 1월 27일 자로 게재됐다.
※ 논문명: Inverse Design of Nanophotonic Color Router Robust to Oblique Incidence, DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202501697
※ 저자: 전재현(KAIST, 제1저자), 박찬형(KAIST, 제1저자), 허도영(KAIST), 정해준(한양대), 장민석(KAIST, 교신저자)
한편 본 연구는 산업 통상부 (한국산업기술기획평가원, (사)한국반도체연구조합)에서 지원하는 ‘차세대 센서향 메타 광학 구조 설계 기술’과제, 과학기술정보통신부 (한국연구재단)에서 지원하는 ‘빔 조향 제어 가능한 고색순도 메타 색변환층 기반 풀 컬러마이크로 LED 소자 및 패널 기술 개발’및 , ‘빛의 모든 속성으로 연산하는 실시간 제로-에너지 아르고스 눈 메타표면 네트워크 개발’ 과제, 문화체육관광부 (한국콘텐츠진흥원)에서 지원하는 ‘차세대 저작권 침해 방지 기술 및 안전한 콘텐츠 유통 기술 개발을 위한 국제공동연구’과제의 지원을 받아 수행되었다.
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연구 동맥경화 실시간 감시하는 전자파 걱정 없는 저주파 무선 센서 개발
몸에 착용하는 스마트 기기나 의료 장비에 쓰이는 무선 센서는 아주 작은 변화도 잘 찾아내야 하고 안정적으로 작동해야 한다. 하지만 기존 기술은 주파수를 너무 높게 사용하여 전자파가 서로 방해를 일으키거나(전자기 간섭, EMI) 사람의 몸에 해를 끼칠 수 있다는 문제가 있었다. 국내 연구진이 이러한 문제를 국내 연구진이 근본적으로 해결할 수 있는 저주파 기반 무선 센서 기술이 개발했다. 우리 대학 조천식모빌리티대학원 안승영 교수팀과 한양대학교 화학공학과 김도환 교수팀이 공동 연구를 통해 이온 기반 소재와 무선전력전송 기술을 결합한 ‘저주파 무선 전기화학 센싱 플랫폼(WiLECS)’을 개발했다고 밝혔다. 기존 무선 센서는 전기를 저장하는 능력(정전용량)이 부족해, 이를 보충하려고 메가헤르츠(MHz) 단위의 높은 주파수를 써야했다. 그러나 이런 고주파 방식은 몸속 조직을 뜨겁게 만들거나 신호를 불안정하게 만들어 실제 의료 현장에서 쓰기에 한계가 있었다.
2026-04-13 -
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2026-03-30 -
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사람마다 지문이 다르듯, 모든 물질에는 고유한 ‘빛의 지문’이 있다. 반도체 공정부터 환경 감시, 질병 진단, 우주 연구까지 접촉 없이 물질을 식별해 온 분광학은 ‘과학의 눈’으로 불려왔다. KAIST 연구진은 전문가의 경험에 의존하던 분광 분석을 AI 기반 자동·실시간 판독 기술로 구현해, 반도체·환경·의료 등 다양한 산업 현장에서 활용 가능성을 크게 확장했다. 우리 대학 원자력및양자공학과 박상후 교수 연구팀은 잡음·오염·결손이 많고 복잡하고 겹친 신호 등의 다양한 분광 데이터의 한계를 뛰어넘어, 인공지능이 실시간으로 자동 해석하는 ‘AI 기반 심층 분광해석 기술’을 개발했다고 3일 밝혔다. 스펙트럼이란, 물질이 내거나 흡수한 빛을 무지개처럼 펼쳐 놓은 그래프를 말한다. 기존 분광 분석은 이 스펙트럼 속 숫자로 나타나는 신호를 잘 알려진 참고 데이터
2026-02-03 -
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거대 인공지능(AI)을 위한 초고속 광컴퓨팅, 양자 암호 통신, 초고해상도 증강현실(AR) 디스플레이 등 미래 첨단 산업에서는 빛으로 정보를 처리하는 나노 레이저가 차세대 반도체의 핵심 소자로 주목받고 있다. 우리 대학 연구진이 머리카락보다 얇은 공간에서 빛으로 정보를 처리하는 나노 레이저를 반도체 칩 위에 고밀도로 배치할 수 있는 새로운 제작 기술을 제시했다. 우리 대학은 기계공학과 김지태 교수 연구팀이 POSTECH(총장 김성근) 노준석 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 초고밀도 광집적회로의 핵심 소자인 ‘수직형 나노 레이저’를 만들 수 있는 초미세 3차원 프린팅 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 기존 반도체 제조 방식인 리소그래피 공정은 같은 구조를 대량 생산하는 데는 효과적이지만, 공정이 복잡하고 비용이 많이 들어 소자의 형태나 위치를 자유롭게 바꾸기 어렵다는 한계가 있었다. 또한 대부분의 기존 레이저는 기판 위에 눕혀진 수평 구조로 만들어져 공간
2026-01-06 -
연구 보고 즉시 판단하는 ‘뇌 닮은’ 차세대 AI 반도체 제시
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2025-12-31