곤충눈 모사한 초박형 디지털카메라 개발

KAIST 정기훈 박사팀, 기존 제품보다 얇으면서 넓은 광시야각- 높은 분해능력 가져

최근 전자기기 및 광학기기의 소형화로 초박형 디지털카메라에 대한 수요가 증가하고 있는 가운데 우리나라 연구팀이 곤충의 시각 구조를 적용한 렌즈를 제작하고 이를 이미지 센서와 결합한 초박형 디지털카메라를 개발해 향후 획기적인 변화를 가져올 것으로 예상된다.

KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 독특한 눈 구조를 가진 곤충인 제노스 페키(Xenos peckii)를 모사한 초박형 디지털카메라를 개발했다.

▲ (좌) MEMS 공정을 통해 제작된 마이크로프리즘 어레이의 SEM 영상. (우) 완성된 초박형 디지털 카메라의 광학 영상 ⓒKAIST

이번에 개발된 디지털 카메라는 기존 이미징 시스템보다 더 얇으면서 상대적으로 넓은 광시야각과 높은 분해능력을 갖는 이 제노스 페키를 모사해 감시 및 정찰 장비, 의료용 영상기기, 모바일 등 다양한 소형 이미징 시스템에 적용될 것으로 기대된다.

▲(좌) Xenos peckii 의 Scanning electron micrograph (SEM) 영상 (우) 형광 염색된 Xenos peckii의 시각구조 ⓒKAIST

기존의 카메라 모듈은 광학적 수차를 줄이기 위해 광축을 따라 복수의 렌즈로 구성돼 있어 부피가 매우 크다는 단점을 각고 있다.또한 이런 모듈을 단순히 크기만 줄여 소형기기에 적용하면 분해능과 감도가 떨어지게 된다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 다른 곤충과는 달리 각 오마티디아에서 개별의 영상을 획득할 수 있는 제노스 페키의 시각구조에서 영감을 얻어 마이크로프리즘 어레이와 마이크로렌즈 어레이로 구성된 초박형 렌즈를 제작했다.

제작에는 대량 생산을 할 수 있는 MEMS 공정을 이용했으며 볼 렌즈 임프린팅 및 3D 모세관 충진 기법과 같은 새로운 기술을 적용했다.이 후 렌즈를 평면의 이미지 센서 위에 바로 집적시켜 초박형 디지털 카메라를 완성했다.

완성된 초박형 디지털 카메라는 2mm 이내의 매우 작은 크기를 가지며 각기 다른 광축의 방향 갖는 마이크로프리즘 어레이를 통하여 다른 평면 형태의 생체모사 카메라에 비해 넓은 광시야각을 확보할 수 있는 특징을 갖고 있다.

▲(좌) Xenos peckii의 시각기관을 통해 얻은 영상. (우) 초박형 디지털 카메라를 통해 얻은 영상 ⓒKAIST

또한 마이크로프리즘 어레이 사이는 흑색 폴리머로 충진되어 프리즘 간의 빛의 간섭을 방지할 수 있으며 이에 따라 광학적 크로스토크 현상 없이 영상을 얻을 수 있으며, 확보된 영상들은 영상처리기술을 통해 하나의 영상으로 복원시킬 수 있다.

이어 복원된 영상은 단일 영상보다 더 선명해진 이미지를 가지며 더 넓은 영역을 관측할 수 있는 것으로 확인됐다.

▲정기훈 교수(가운데)와 연구원들 ⓒKAIST

정기훈 교수는 “초박형 카메라를 제작하는 새로운 방법을 제시했다”며 “이 연구는 기존의 평면 CMOS 이미지 센서 어레이에 마이크로 카메라를 완전히 장착한 초박형 곤충 눈 카메라의 첫 번째 데모이며 다양한 광학 분야에 큰 영향을 미칠 것으로 확신한다.”라고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 ‘빛 : 과학과 응용(Light : Science &Applications)’ 10월 24일 자에 ‘제노스 페키의 시각기관을 모사한 초박형 디지털카메라, Xenos peckii vision inspires an ultrathin digital camera’라는 주제로 게재됐다.

한편 정 교수 연구팀은 반딧불이의 배 마디 구조를 분석해 광효율을 높은 LED 렌즈를 개발한 바 있고, 생체모사를 통한 무반사 기판을 제작하는 등 해당 분야를 선도하고 있다.