곤충의 눈에서 영감을 얻은 디지털 카메라

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-05-06

미국 일리노이 대 어버너-샴페인 캠퍼스(University of Illinois at Urbana-Champaign)의 존 로저스(John A. Rogers) 교수를 포함하여 여러 분야의 연구들이 모인 학제간 연구팀이 잠자리, 벌, 사마귀 등의 곤충에서 발견되는 시각 기관을 모방하는 설계를 가진 최초의 디지털 카메라를 만들었다. 이 새로운 기술은 특별히 넓은 시야각, 낮은 수차(aberration), 동작에 대한 높은 예민함(acuity), 거의 무한대의 파사계 심도(depth of field)를 제공한다. 대자연에서 영감을 받은 이 카메라는 절지동물(동물계의 여러 문 중에서 가장 많은 종을 포함하는데, 여기에는 흔히 보는 곤충류?거미류, 게?새우류, 지네류가 있고, 현재까지 약 90만 종 이상이 알려져 있다.)의 눈처럼 반구 형상의 배치에 소형 집광 렌즈와 소형 탐지기의 대규모 배열을 이용한다. 이 장치는 존 로저스 교수 연구팀이 최초로 피부 및 뇌 감시 시스템에 대한 연구를 수행하는 중에 발견한 아이디어를 이용하여 고성능의 실리콘 전자장치 및 탐지기에 부드럽고 고무 같은 광학장치를 결합한다. 영의 수차를 가지는 완전한 180도 시야각은 반구 형상의 배치를 채택하는 이미지 센서로만 달성될 수 있으며, 이는 상업용 카메라에서 발견되는 평면의 전하결합소자(CCD: charged coupled device) 칩과는 매우 다르다. 대규모의 마이크로 렌즈 배열을 구현한 경우 각각은 개별적인 광전다이오드(photodiode)와 연동되며, 이러한 반구형 설계는 대적할 수 없는 넓은 시야와 강력한 영상화 능력을 제공한다. 대자연은 이러한 개념을 수십억 년의 진화 과정에 걸쳐 개발하고 개량하여 왔다. 연구자들은 이러한 혁신적인 카메라를 2013년 5월 2일자 네이처(Nature) 학술지에서 `절지동물에서 영감을 받은 디지털 카메라 설계`(Digital Cameras With Designs Inspired By the Arthropod Eye)라는 논문 제목으로 발표하였다. 절지동물의 눈은 시각 인식을 제공하기 위하여 작은 눈들의 배열이 협동하여 동작하는 복잡한 설계를 이용한다. 낱눈(ommatidium)이라고 알려진 각각의 작은 눈은 각막경(corneal lens), 원뿔형 수정체(crystalline cone), 기저에 존재하는 감광 조직(light sensitive organ)으로 구성된다. 전체 시스템은 영상화에 있어 놀라운 특성을 제공하도록 구성되어 있으며, 이러한 특성의 많은 부분은 기존에 사람이 만든 카메라의 도달범위를 벗어난 곳에 위치한다. 연구자들은 반구 형상의 배치에 대규모로 상호 연결된 인공 낱눈을 만들 수 있도록 재료 및 생산 전략에 대한 새로운 아이디어를 개발하였다. 기존의 모든 카메라 기술은 휘어지거나 구부릴 수 없는 실리콘 웨이퍼 평면 상에 만들어지는 대형 유리 렌즈와 탐지기에 의존하기 때문에 반구 형상으로 만드는 것은 매우 어렵다. 그리하여 이러한 새로운 시스템을 만드는 것은 매우 어려운 과업이다. 연구팀이 개발한 파리의 눈 형태를 가진 카메라는 그 중요한 특징이 반구 형상의 곡면에 마이크로 렌즈, 광탐지기, 전자장치 등을 집적하는 것이라고 이 연구의 공동저자이며 미국 콜로라도 대 볼더 캠퍼스(University of Colorado Boulder)의 기계공학과 조교수인 지안리앙 샤오(Jianliang Xiao)가 전했다. 이러한 결과를 얻기 위하여 연구팀은 손상 없이 늘리거나 변형이 가능한 그물망 배치(mesh layout)에 탐지기와 전자장치가 결합된 부드럽고 고무 같은 광학장치를 사용하였다. 반도체 산업에서 채용된 진보된 기술을 이용하여 평평한 표면 상에 형성된 전자장치 및 탐지기, 렌즈 배열로 제조공정이 시작된다. 다음으로 콘텐트 렌즈와 유사한 폴리머 재료로 만들어진 렌즈 시트(lens sheet)와 전자장치 및 탐지기가 정렬된 후 서로 접착된다. 이렇게 형성된 시스템은 공압에 의하여 원하는 반구 형상으로 변형된다. 이러한 공정은 풍선을 부는 것과 유사하지만 정밀한 공학적 제어가 가미된다. 개별적인 전자장치 및 탐지기와 마이크로 렌즈는 이러한 변형 공정 동안에 상대 운동을 피하기 위하여 서로 연동된다. 여기서 인공 낱눈 사이의 공간은 기하학적으로 평면이 반구 형상으로 변환될 수 있도록 늘어날 수 있다. 전기적인 상호접속은 구불구불한 필라멘트 형상으로 얇고 가늘게 형성되며, 늘리는 공정 동안에 작은 스프링처럼 변형된다. 연구자들에 따르면 각각의 마이크로 렌즈는 렌즈와 시야각의 매개변수로 결정되는 형상으로 물체에 대한 작은 이미지를 만든다. 개별 탐지기는 연관된 마이크로 렌즈에 의하여 형성된 일부의 이미지가 유효 영역을 중첩할 때에만 반응한다. 이러한 방식으로 활성화된 탐지기들은 물체에 대한 샘플 이미지를 만들며, 이는 나중에 광학 모델을 이용하여 재구성될 수 있다. 존 로저스 교수 연구팀은 지난 수 년 동안 고무줄처럼 구부리고, 휘어지며, 늘어날 수 있는 전자장치를 가능하게 하는 재료, 기계적 원리, 제조 공정 등을 개발하여 왔다. 이러한 장치 기술은 광 발전장치에서부터 건강 모니터링, 진보된 수술도구, 포유류의 눈과 같은 설계를 가진 디지털 카메라에 이르기까지 다양한 분야에 사용되고 있다. 실현 가능한 아이디어의 일부는 5~6년 전에 자신의 연구실에서 기원한 개념 위에 개발되었으며, 그 이후로 파리의 눈 형태를 가지는 디지털 카메라를 만드는 가능성에 강한 호기심을 가지게 되었다고 존 로저스 교수가 전했다. 또한 그에 따르면 이러한 장치는 곤충에서 영감을 받은 설계가 특별한 능력을 제공하는 감시 장치, 내시경 도구, 기타 장치 등에 사용될 잠재력 때문에 존 로저스 교수뿐만 아니라 많은 다른 사람들에게도 오랫동안 관심의 대상이었다. 130502_BUG_EYE1.jpg 130502_BUG_EYE2.jpg 130502_BUG_EYE3.jpg http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-05/uoic-bvi043013.php