아주대, 인체 망막 모방한 광검출기 개발

[이데일리 신하영 기자] 아주대 연구팀이 인체 망막을 모방한 분광 광검출기를 개발했다.

서형탁 교수(사진=아주대)

아주대는 에너지시스템학과의 쿠마 모히트(Mohit Kumar)·서형탁 교수 연구팀이 이러한 연구 성과를 얻었다고 12일 밝혔다.

지금도 빛의 스펙트럼과 반사·투과 특성을 분석, 정밀하게 색상 상태를 판별하기 위해 ‘분광 및 색상 인식 시스템’이 쓰이고 있다. 다만 파장을 물리적으로 분리해야 하므로 긴 광학 경로가 필요해 장비의 소형화가 어려웠다.

최근 이를 보완하기 위해 머신러닝 인공신경망을 결합, 컴퓨터 연산으로 색상을 분류하는 초소형 분광 센서들이 개발되고 있다. 다만 △막대한 데이터셋 학습 비용 △환경 변화에 따른 신호 표류 보정 △에지(시스템 말단) 플랫폼에서의 연산 부하와 에너지 소모 등의 문제로 상용화에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 생명체의 ‘망막’이 거대한 광학 장치나 사후 인지 연산 없이 직관적으로 색상을 식별한다는 점에 착안했다. 연구팀이 개발한 소자는 머신러닝 알고리즘 없이도 높은 정밀도로 파장을 직접 해독할 수 있다.

연구팀은 이번에 개발한 망막 모방형 검출기 플랫폼을 실생활·농업 분야에 적용해 높은 실용성을 확인했다. 머신러닝 학습 없이 자체 전기적 신호만으로 소금·설탕 수용액 등을 대상으로 92% 이상을 정량 감별해 냈다. 또한 잎의 광학적 특성 변화를 추적해 단풍나무의 건강 상태나 색소 상태를 정밀 진단하는 데도 성공했다.

서형탁 교수는 “이번에 개발한 플랫폼은 소프트웨어 알고리즘이나 미가공 데이터를 컴퓨터나 스마트폰의 연산소자(CPU나 GPU)로 보낸 뒤, 복잡한 수식 계산을 통해 해석·복원하는 기존 인공지능 센서의 한계를 극복했다”며 “소자 고유의 물리적 특성을 통해 인코딩과 분류를 한 칩에서 통합 수행하는 진정한 인센서(In-sensor) 컴퓨팅 스펙트럼 센서 솔루션을 제시한 것”이라고 설명했다.

서 교수는 이어 “앞으로 식품의 위·변조 및 신선도 판별기, 농작물 질병을 실시간 확인하는 스마트팜 로봇, 피부에 붙여 건강을 체크하는 초소형 헬스케어 패치 등 일상에서 즉시 활용되는 차세대 지능형 센서의 핵심 플랫폼이 될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 차세대지능형반도체기술개발사업 등의 지원을 받아 수행했다. 아주대 쿠마 모히트 교수가 제1저자 및 공동 교신저자로, 박사과정 당현민 학생이 공저자로 참여했고으며 서형탁 교수가 교신저자를 맡았다. 연구 결과는 저명 국제 학술지(Advanced Materials)에 게재됐다.