GIST, 한 번 촬영으로 다양한 물질 성분 정밀 분석 실현

[광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(지스트·GIST) 이흥노 전기전자컴퓨터공학과 교수 연구팀이 기계적 스캔 없이 단일 이미지 촬영만으로 고정밀 스펙트럼 정보를 실시간 복원할 수 있는 신개념 초소형 계산 분광기를 개발했다.

15일 지스트에 따르면 해당 기술은 인공지능(AI) 복원 알고리즘을 접목한 초소형 센서 구조로 기존 분광기의 한계를 뛰어넘는 고정밀·저전력·초소형화를 동시에 달성했다.

연구팀은 앞선 연구(Scientific Reports.2022년 3월)를 통해 반도체 공정 수준의 초정밀 공정으로 제작한 다층 박막 필터 구조를 CMOS 센서와 결합하고, 단일 이미지 촬영만으로 500~850나노미터(nm) 스펙트럼을 정밀 복원할 수 있는 '단일 촬영 계산 분광기(single-shot spectrometer)'의 하드웨어 구현 가능성을 성공적으로 입증했었다.

이번 연구에선 이를 한 단계 발전시켜 AI 복원 알고리즘을 정밀 설계하고 시스템 전체를 최적화함으로써 측정 정확도와 처리 속도를 대폭 향상시켰다.

무엇보다 광학 신호를 필터 단위로 압축 측정한 후 AI를 통해 전체 스펙트럼을 복원하는 하드웨어-소프트웨어 융합 구조를 실제로 구현함으로써 기계적 스캔 없이도 고정밀 파장 분석이 가능한 초분광 융합 기술을 완성했다.

이 기술은 기존 분광기의 크고 무거운 기계적 구조, 긴 측정 시간, 높은 비용 등 한계를 극복하고, 고정밀·저전력·소형화를 동시에 실현한 것이 특징이다.

무엇보다 기존 계산 분광기들이 필터 해상도나 복원 정확도에서 상용화에 어려움을 겪은 반면, 이번 연구에선 다층 박막 필터 기반 초소형 센서와 U-Net 기반 AI 복원 알고리즘을 결합해 정확도와 속도를 모두 끌어올렸다.

연구팀은 굴절률이 다른 이산화타이타늄(TiO₂)과 이산화규소(SiO₂) 박막을 조합해 36개의 고정밀 필터를 설계하고 이를 6×6 배열로 구성해 상용 CMOS 센서에 직접 장착했다.

이는 단일 촬영만으로 500~850nm 파장대의 정보를 분산 측정하고, 총 3223개의 실측 스펙트럼 데이타를 학습한 AI 모델을 통해 기존의 최적화 기반 방식보다 빠르고 정밀한 복원이 가능한 구조다.

실제 파장 범위 500~850nm에서 평균제곱근 오차(RMSE) 0.0288이라는 높은 정확도를 달성했다.

또 비스캐닝 구조를 구현해 측정 속도를 높였으며 CMO센서와의 높은 호환성을 바탕으로 소형화·대량 생산·저전력 구동 등 상용화 가능성을 확보하고 모바일 기기, 웨어러블 기기, 현장 진단 플랫폼 등 다양한 응용 환경에 직접 탑재할 수 있는 수준의 초소형화를 실현했다.

이 기술은 모바일 의료 진단, 식품 안전 검사, 위조문서 판별, 실시간 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 활용할 수 있는 차세대 광학 센서 플랫폼으로 기대를 모으고 있다.

이흥노 교수는 "이번 연구는 초소형 광학 하드웨어와 AI 알고리즘을 통합해 계산 분광기의 정밀도와 활용성을 동시에 끌어올린 사례"라며 "향후 거대언어모델(LLM)과 결합하면 사용자가 스마트폰 내부의 초분광 카메라로 식품이나 건강 상태를 스캔하고, 그 결과를 자연어로 안내받는 사용자 경험도 가능할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행했다. GIST 이흥노 교수가 지도하고 데이비드 사뮤엘 바티(David S. Bhatti) 박사후연구원, 최영인 박사과정생, 반도체공학과 윤훈한 교수 등이 공동 참여했다. 연구 성과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 2025년 7월1일자 온라인판에 게재됐다.


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