고체 너머의 물체를 선명하게 촬영한다?

과학기술

고체 너머의 물체를 선명하게 촬영한다?
테라헤르츠파 활용, 초분광 이미지 촬영 가능

2020.02.21 10:38 이강봉 객원기자

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투과성을 지닌 방사선 전자파를 테라헤르츠파(Terahertz Wave)라고 한다.

1초에 1조(테라·tera) 번 진동하는 전자파를 말하는데 과학자들이 기존 카메라에 이 전자기파기술을 결합해 고체 투과성 카메라를 제작하는데 성공했다.

19일 ‘사이언스 데일리’는 영국 서식스대학 연구팀이 투과성이 좋은 테라헤르츠파를 활용해 불투명한 고체 너머에 있는 물체를 고해상도로 선명하게 촬영할 수 있는 비선형 카메라를 제작하는데 성공했다고 보도했다.

투과성을 지닌 테라헤르츠파를 활용해 고체를 투과해 그 너머에 있는 물체를 선명한 3D 영상으로 촬영할 수 있는 카메라가 개발돼 주목을 받고 있다. 사진은 테라헤르츠파를 활용한 스캐너. ⓒmesurex.com

플라스틱, 섬유 등 투과해 촬영할 수 있어

새로 개발한 카메라는 가시영역, 근적외선, 중적외선, 그리고 열적외선 영역에 걸쳐 연속적인 촬영이 가능한 초분광(hyperspectral) 영상기술을 활용하고 있다.

특히 전자기파 스펙트럼 상에서 극초단파(microwaves)와 적외선 사이에 있는 테라헤르츠파는 X선처럼 종이나 섬유, 플라스틱과 같은 물질을 투과해 그 너머에 있는 물질을 파악할 수 있는데 X선과 달리 고해상도 촬영이 가능하다.

또한 안전하기 때문에 다양한 유기체들을 분자 차원에서 정확히 식별하는 것이 가능해 유사한 물질인 것처럼 보이는 설탕(sugar)과 코카인(cocain)을 구분할 수 있다.

연구를 이끈 서식스 대학 마르코 페키안티(Marco Peccianti) 교수는 “이 테라헤르츠파 카메라(THz camera)의 기능이 이미지를 촬영하는 것뿐만 아니라 다양한 지문을 보존하는 데 역점을 두고 있다.”고 설명했다.

또한 페키안티 교수는 “이 카메라를 사용할 경우 이전까지 발견하지 못한 유령과 같은 지문들을 샅샅이 찾아낼 수 있다.”며, 테라헤르츠파 카메라의 성능에 대해 자신감을 표명했다.

논문은 물리학 저널 사이트인 ‘arxiv(www.arXiv.org)’에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Hyperspectral terahertz microscopy via nonlinear ghost imaging’이다.

미래를 이끌어갈 과학기술에 있어 초분광기술은 매우 중요한 위치를 차지하고 있다.

이 기술을 통해 일반 카메라나 현미경으로는 불가능한 영역을 볼 수 있음에 따라 많은 과학자들이 새로운 초분광 영상을 촬영하기 위한 카메라를 개발하기 위해 많은 노력을 기울여왔다.

이런 분위기 속에서 서식스 대학 에픽(EPic) 연구소 연구팀은 1초에 1조 번 진동한다고 해서 테라헤르츠파란 이름이 붙여진 전자기파에 관심을 갖고 시간을 분해할 수 있는(Time-Resolved) 비선형 카메라를 개발하기 위해 노력을 기울여왔다고 밝혔다.

그리고 수차례 실용화 실험을 통해 불투명한 영역을 투과해 초분광 촬영이 가능한 카메라를 완성할 수 있었다고 밝혔다.

초분광 3차원 영상으로 재현 가능해

TV 모니터나 인쇄물 등에 나타난 디지털 이미지의 경우 수많은 타일의 모자이크 그림과 같은 사각형 픽셀로 이루어져 있다.

이미지를 구성하는 최소 단위인 점을 말하는데 화소라고 번역하고 있다. 이 화소 안에서는 R(red), G(green), B(blue) 세 가지 빛이 조합돼 색을 만들어 낸다. 예를 들어 R, G, B가 모두 켜져 있으면 흰색(white), 반대로 모두 꺼져 있으면 검은색(black)이 된다.

연구팀은 시간과 공간을 초월할 수 있는 초분광 카메라를 개발하면서 이 픽셀 카메라를 활용했다.

기존 카메라에서 촬영하고 있는 물체에 우리들이 볼 수 있는 가시광선이나 적외선 대신 테라헤르츠파를 적용했다. 그리고 픽셀로 나타나는 영상이 어떤 변화를 가져오는지 정밀 분석해 카메라 기능으로 전환시켰다.

그리고 기존 카메라 기능에 테라헤르츠파에 의한 초분광 영상기술을 결합해 이전에 볼 수 없었던 새로운 카메라를 탄생시켰다.

이 카메라는 기존 카메라의 한계와 테라헤르츠파 영상의 단점을 보완한 것이다.

기존 카메라의 경우 불투명한 물체 너머의 대상을 파악할 수 없었고, 테라헤르츠파로 촬영한 영상은 너무 희미했기 때문에 과학자들로부터 신뢰를 얻지 못하고 있었다.

그러나 두 가지 기능을 서로 보완할 수 있는 것이 가능해졌다. 페키안티 교수는 “새로운 카메라 개발로 고체 속에 숨어 있는 물질을 선명한 초분광 3차원 이미지로 선명하게 촬영하는 일이 가능해졌다.”고 말했다.

연구에 참여한 토테로 공고라(Totero Gongora ) 박사는 “지금까지 개발한 기능은 기초적인 기능에 불과하며, 이를 통해 새로운 추가 기능을 개발할 가능성이 무한하게 전개될 수 있다.”고 말했다.

지질탐사, 유전자 분석과 같은 과학실험은 물론 산업안전을 위한 검색 기능, 시간과 공간을 초월할 수 있는 예술적 표현 기능 등 다양한 용도로 활용이 가능하다는 것.

초분광 기술은 21세기 과학기술에 있어 불가능한 일을 가능하게 해주는 첨단 기술이다. 최근 한국과학기술정보연구원(KISTI)은 이 기술을 ‘AI가 뽑은 7년 뒤 유망한 10대 미래기술’로 선정한 바 있다.

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