2025년 07월 15일(화) 10:05

왼쪽부터 전기전자컴퓨터공학과 최영인 학생, 이흥노 교수, 데이비드 사뮤엘 바티(David S. Bhatti) 연구원. GIST 제공

광주과학기술원(GIST) 연구팀이 단 한 번의 촬영만으로 물질의 성분을 정밀 분석할 수 있는 초소형 AI 분광 센서를 개발했다.

15일 GIST에 따르면 전기전자컴퓨터공학과 이흥노 교수 연구팀은 다층 박막 필터 기반의 초소형 센서에 인공지능 복원 알고리즘을 결합해, 단일 촬영으로 500~850nm 범위의 스펙트럼을 정밀하게 복원할 수 있는 계산 분광기 기술을 구현했다고 밝혔다.

연구팀은 앞서 2022년 다층 박막 필터 구조를 CMOS 센서와 결합해 ‘단일 촬영 계산 분광기’의 하드웨어 구현 가능성을 입증한 바 있다. 이번 연구에서는 U-Net 기반 AI 알고리즘을 최적화해 측정 정확도와 처리 속도를 더욱 높였다.

이 기술은 기계적 스캔 없이도 필터 단위로 수집된 광학 데이터를 AI가 전체 스펙트럼으로 복원하는 방식으로, 고정밀·저전력·소형화를 동시에 실현하며, 모바일 기기나 현장 진단 센서 등에 탑재할 수 있을 정도로 작고 효율적이다.

연구팀은 서로 다른 굴절률을 가진 이산화타이타늄(TiO₂)과 이산화규소(SiO₂)로 구성된 36개의 박막 필터를 6×6 배열로 설계해 상용 CMOS 이미지 센서 위에 장착했다. 제작된 센서는 단일 촬영으로 파장 정보를 분산 측정하며, 이후 AI 복원 모델이 전체 스펙트럼을 정확하게 재구성한다.

실제 학습에는 3,223개의 스펙트럼 데이터가 사용됐고, RMSE 0.0288이라는 높은 복원 정확도를 달성했다. 측정 구조는 비스캐닝 방식으로, 별도의 기계 부품 없이 빠른 측정과 소형화에 적합하다.

센서의 전체 크기는 4.5×4.5mm²로 줄였으며, 주사전자현미경(SEM)으로 필터의 균일성과 높은 제조 수율도 확인됐다. 이 기술은 혈당 측정, 식품 안전 검사, 위조 문서 판별, 환경 모니터링 등 다양한 분야에 실시간 분석 도구로 활용될 수 있다.

이 교수는 “AI 알고리즘과 초소형 센서를 통합해 계산 분광기의 성능을 크게 높였다”며 “향후 거대언어모델(LLM)과 연계해 사용자에게 스캔 결과를 자연어로 제공하는 기술도 가능할 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 데이비드 사뮤엘 바티 박사후연구원, 최영인 박사과정생, 윤훈한 반도체공학과 교수 등이 공동 참여했으며, 과학기술정보통신부와 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트’ 2025년 7월 1일자 온라인판에 게재됐다.