광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 송영민 전기전자컴퓨터공학부 교수와 전해곤 인공지능(AI)대학원 교수팀이 공동으로 광학 분야에 AI 기술을 결합해 약 1초 만에 빠르고 정확하게 필름 형태의 파노(Fano) 공명을 디자인하는 시스템을 개발했다고 21일 밝혔다.
파노 공명은 연속 상태의 '다공성 초박막' 공진기와 불연속(이산)상태의 '패브리 페로' 공진기 결합을 통해 구현된다. 독특한 비대칭성과 급격한 스펙트럼선 모양 변화로, 광학 필터 색 변조 및 나노 크기의 매우 작은 바이러스 감염을 감지하는 바이오센서 등에 응용하고 있다.
기존 파노 공명은 복잡한 나노 구조를 갖고 있어 제작이 어렵고 스펙트럼 모양을 예측하는 데 변수가 많아 디자인 과정에서 많은 시간이 소요됐다.
연구팀은 단순한 형태인 필름형 적층 구조에 다공성 층을 삽입해 모든 범위의 스펙트럼 형태를 설계했다. 다층 퍼셉트론(MLP) 기반의 AI 기술을 활용해 빠르고 정확하게 스펙트럼 형태를 도출했다.
스펙트럼 형태는 파장에 따른 빛의 세기 변화로, 센서와 디스플레이 분야에서 성능을 결정짓는 중요한 요소이기에 정확하고 빠른 설계법이 필요하다.
스펙트럼 조절은 가시광 영역에서 색 변화로 나타나는데 연구팀은 다공성 초박막 공진기가 비등방성을 갖도록 제작함으로써 편광 방향에 따라 색을 자유자재로 변형시킬 수 있는 양방향 디스플레이를 구현했다.
머신러닝 기반의 AI 기술을 적용한 효율적인 설계법 및 다각화된 딥러닝 AI를 통해 다양한 결합 기반 광학 구조 디자인으로 확장이 가능하며 박막 구조의 파노 공진기는 빛을 투과할 수 있어 양방향 디스플레이로도 활용할 수 있다.
연구팀이 제작한 공진기는 코로나19 등 매우 작은 크기의 바이러스입자를 감지할 수 있음을 실험으로 확인했다. 추후 더욱 정교한 광학 결합 공진 설계를 통해 자율주행 자동차의 센서용 카메라, 검사장비 등 초정밀 광학센서 분야에 널리 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
