곤충 눈 닮고 동전보다 얇은 초박형 카메라 나왔다

두께가 0.74mm에 불과한 초박형 카메라 기술을 KAIST 연구팀이 개발했다. 렌즈와 이미지센서를 이어 붙였는데도 동전 두께의 반밖에 안 된다. KAIST 제공

곤충의 눈 구조를 모방한 초박형 고해상도 카메라가 개발됐다. 두께가 10원짜리 동전의 절반에 불과해, 모바일기기는 물론 미세한 곳을 상세히 관찰해야 하는 의료영상 기기 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 정기훈 바이오및뇌공학과 교수와 김기수 연구원팀이 ‘제노스 페키’라는 곤충의 눈을 모사해 상용 카메라보다 얇으면서 시야각이 넓은 렌즈를 개발했다고 23일 밝혔다. 

초소형 카메라는 모바일 기기는 물론, 정찰 장비와 의료영상 등에 폭넓게 사용될 수 있을 것으로 기대되는 부품이다. 이를 위해서는 얇은 렌즈가 필요하지만, 얇은 렌즈는 상이 일그러지거나 흐려지는 ‘수차’라는 일종의 오류가 일어나기 쉽다. 이를 막기 위해서는 여러 개의 서로 다른 렌즈를 겹쳐 사용해야 하는데, 이 때문에 두께가 늘어난다는 단점이 있었다. 

곤충의 겹눈처럼, 작은 미세 렌즈를 여러 개 배열해 해상도를 높이는 미세렌즈 배열이 대안으로 연구됐다. 여러 렌즈가 같은 시야각을 통해 다수의 영상을 촬영하고, 이를 나중에 하나로 합성해 전체 해상도를 높이는 기술이다. 하지만 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈를 통과한 빛과 겹치면서 생기는 중첩 현상으로 의도한 만큼 해상도가 높아지지 않는다는 단점이 있었다.

정 교수팀은 미세렌즈의 간섭 문제를 해결하기 위해 제노스 페키가 지닌 독특한 시각세포를 추가한 미세렌즈를 개발했다. 이 곤충의 눈은 수백 개의 광수용체(렌즈)가 배열돼 있다. 광수용체와 광수용체 사이의 빛이 서로 겹치지 않도록 차단하는 ‘색소세포’라는 구조가 존재한다. 

연구팀은 미세전자기계시스템(MEMS) 공정의 일종인 포토리소그래피 공정으로 이런 색소세포 구조를 응용한 광차단 구조와 마이크로 렌즈를 얇게 제작해 렌즈 사이에 넣어 간섭을 차단했다. 여기에 렌즈 방향을 이미지센서 방향으로 배치하는 역방향 설계를 동시에 채택해 10원짜리 동전의 절반에 불과한 0.74mm의 초박형 렌즈를 개발하는 데 성공했다.

정 교수는 “상용화 가능한 초박형 카메라를 제작하는 방법을 개발했다”라며 “영상 획득이 필요한 장치에 통합돼 장치 소형화에 크게 기여할 것으로 확신한다”라고 말했다.

연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ‘빛 : 과학과 응용’ 2월 27일자에 발표됐다.

상용 소형 카메라로 찍은 사진(왼쪽 위 작은 사진)과 초박형 카메라로 찍은 사진을 비교했다. 하나의 미세렌즈가 찍은 영상은 흐릿하다(가운데 여럿 찍힌 사진 및 오른쪽 위 사진). 하지만 합치면 해상도가 높아진다(오른쪽 아래). KAIST 제공 비교 사진이다.