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.
-
연구 인공근육으로 걷고 촉각으로 감지하는 ‘딱정벌레 로봇’ 개발
손가락을 굽혔다 펴며 작은 로봇을 움직이고, 로봇이 보내오는 영상과 접촉 정보를 확인하며 물체를 집어 옮기는 기술이 나왔다. 딱정벌레를 모사한 소형 소프트로봇에 인공근육과 카메라, 촉각센서를 결합한 것으로, 향후 사람이 접근하기 어려운 좁은 공간을 살피거나 작은 물체를 회수하는 원격 작업에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 우리 대학은 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공과대학교(칼텍·Caltech) 웨이 가오(Wei Gao) 교수 연구팀, 싱가포르 난양공과대학교(NTU) 히로타카 사토(Hirotaka Sato) 교수 연구팀과 공동으로 소형 소프트로봇 ‘비틀봇(BeetleBot)’을 개발했다고 13일 밝혔다. 사람은 물체를 잡을 때 눈으로 위치를 확인하고 손끝의 감각으로 접촉 상태를 살핀다. 로봇도 주변 상황에 맞춰 작업하려면 움직이는 기능과 감지하는 기능이 연결돼야 한다. 그러나 부드러운 소재를 활용하는 소프트로봇에서는 구
2026-10-13 -
연구 빛에 반응하는 '분자 스위치'의 반세기 수수께끼 풀었다
빛으로 약효를 조절하는 약물이나 빛에 따라 모양이 변하는 스마트 소재는 더 이상 공상과학 영화 속 이야기가 아니다. 빛에 반응하는 대표적인 분자 스위치가 ‘아조벤젠’이다. 하지만 이 분자가 찰나에 어떻게 움직이는지는 50년 가까이 수수께끼였다. 한국 연구진은 분자 중심부가 자전거 페달처럼 맞물려 움직이며 모양을 바꾼다는 것을 밝혀냈다. 이번 발견은 빛으로 움직이는 소재와 초소형 분자 기계를 설계하는 데 새로운 단서가 될 전망이다. 우리 대학은 화학과 이효철 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS·원장 장석복) 첨단 반응동역학 연구단과 함께 빛에 반응하는 분자 ‘아조벤젠’의 구조 변화 과정을 규명했다고 1일 밝혔다. 아조벤젠에는 두 개의 벤젠 고리가 가운데 질소 원자 두 개로 이루어진 연결부에 붙어 있다. 빛을 받으면 두 고리가 연결부의 서로 반대쪽에 놓인 형태에서 같은 쪽에 놓인 형태로 바뀔 수 있다. 원자는 그대로인
2026-10-01 -
연구 파리지옥처럼 물체 감지하고 빛 비추면 잡는 ‘로봇 손’ 소재 나왔다
파리지옥은 먹잇감의 자극을 느끼면 잎을 닫아 붙잡는다. 우리 대학 연구진은 여기에서 착안해, 물체의 접근을 느끼는 피부와 물체를 붙잡는 근육을 하나의 부드러운 소재에 담았다. 전기를 띤 물체가 다가오면 소재 안의 입자들이 움직여 전기 신호를 내고, 자외선을 비추면 굽어 물체를 붙잡는다. 빛을 끈 뒤에도 잡은 형태를 10분 이상 유지해, 부품과 배선을 줄인 소프트 로봇 손의 가능성을 보여줬다. 우리 대학은 생명화학공학과 문홍철 교수 연구팀이 주변 물체를 감지하고 빛에 반응해 움직이는 이온성 소프트 로봇 ‘이오노그래스퍼(Ionograsper)’를 개발했다고 30일 밝혔다. 이온성 소재란 내부에 전하(양(+) 또는 음(−)의 전기적 성질)를 띤 작은 입자인 ‘이온’이 있어, 주변의 전기적 변화에 반응할 수 있는 소재를 말한다. 사람은 눈이나 피부로 물체를 알아차리고 근육을 움직여 잡는다. 로봇에도 주변을 감지하는 센서와 움직
2026-09-30 -
연구 빛으로 진짜·가짜 가린다...복제 어려운 ‘인공 지문’ 개발
빛만 비추면 진짜와 가짜가 드러난다. 우리 대학 연구진이 나노 입자가 무작위로 모이며 만들어지는 고유한 ‘인공 지문’을 보안에 활용하는 기술을 개발했다. 복제는 어렵지만 스마트폰 손전등과 레이저 포인터만으로 간편하게 진위를 확인할 수 있어 위조품 방지와 전자기기 인증 등에 활용될 것으로 기대된다. 우리 대학은 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 성균관대학교(총장 유지범) 권석준 교수 연구팀과 공동으로, 무작위로 만들어지는 ‘콜로이드 나노 패턴(눈에 보이지 않을 만큼 작은 입자들이 모여 만든 고유한 미세 무늬)’을 이용해 간단한 빛만으로 진위를 확인할 수 있는 새로운 보안 원천기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 최근 인공지능(AI)의 발전으로 사이버 공격이 더욱 정교해지고, 미래 양자컴퓨터가 기존 암호체계를 위협할 가능성이 제기되면서 소프트웨어 암호뿐 아니라 제품이나 기기가 가진 고유한 물리적 특징 자체를 보안에 이용하는 기술이 주목받
2026-08-26 -
연구 AI가 '안 들리는데 들린다' 우기는 시대 끝낸다
AI가 ‘안 들리는데 들린다’, ‘없는데 있다’고 우기는 시대가 끝난다. 우리 대학 연구진이 AI가 여러 감각 정보를 스스로 구분하고 존재하지 않는 정보를 만들어내는 ‘환각’을 줄이는 핵심 기술을 개발했다. 자율주행차와 로봇, 의료 AI 등 실제 산업 현장에서 더욱 신뢰할 수 있는 멀티모달 AI 구현의 기반이 될 것으로 기대된다. 우리 대학은 전기및전자공학부 노용만 교수 연구팀이 멀티모달 대형 언어모델(MLLM, 텍스트와 이미지·소리 등 여러 정보를 함께 이해하는 AI)의 감각 혼선을 줄이는 두 가지 핵심 기술을 개발했다고 31일 밝혔다. 이번 기술은 카메라와 다양한 센서의 특성을 정확히 이해하도록 하는 기술과 시각·청각 정보가 뒤섞이면서 발생하는 환각을 줄이는 기술로, 별도의 대규모 재학습 없이도 AI의 신뢰성을 크게 높였다. 연구팀이 개발한 첫 번째 기술은 AI가 열화상(Thermal
2026-08-03