광학 파노공명 설계 및 구현과정을 나타내는 그래픽 이미지.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 광학 분야에 인공지능(AI) 기술을 결합하여 약 1초 만에 빠르고 정확하게 필름 형태의 파노 공명(Fano resonance)을 디자인하는 데 성공했다.

광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수와 AI대학원 전해곤 교수 공동 연구팀은 인공지능(AI)을 활용해 1.14초 만에 오차율 7% 이내로 광학 파노(Fano) 공명을 디자인할 수 있는 시스템을 개발했다.

광학 파노 공명이란 두 광학 구조 사이에서 발생하는 빛과 물질의 상호 작용을 기반으로 특정한 파장에서 빛의 집중이나 반사/투과를 유도하여 스펙트럼 형태를 조절할 수 있는 광학 구조를 말한다.

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 삽입하여 모든 범위의 스펙트럼 형태를 설계했다. 다층 퍼셉트론(MLP) 기반의 인공지능(AI) 기술을 활용하여 빠르고 정확하게 스펙트럼 형태를 도출했다.

머신러닝 기반의 AI 기술을 적용한 효율적인 설계법 및 다각화된 딥러닝 인공지능을 통해 다양한 결합 기반 광학 구조 디자인으로 확장이 가능하며, 박막 구조의 파노 공진기는 빛을 투과할 수 있어 양방향 디스플레이로도 활용할 수 있다.

향후 더욱 정교한 광학 결합 공진 설계를 통해 자율주행 자동차의 센서용 카메라, 검사장비 등 초정밀 광학 센서 분야에 널리 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

송영민(앞줄 오른쪽부터 시계 방향으로) 교수, 전해곤 교수, 고주환 박사과정, 박진휘 석박통합과정, 강지원 석사.[GIST 제공]

연구팀은 스펙트럼 변화량이 극대화되도록 다공성 초박막 공진기를 설계했다. 낮은 굴절률을 갖는 바이러스에 공진 특성이 민감하게 변화함에 따라 색 변화를 관찰할 수 있도록 하기 위해서다. 연구팀이 제작한 공진기는 코로나19 등 매우 작은 크기의 바이러스입자를 감지할 수 있음을 실험을 통해 확인했다.

송영민 교수는 “기존 파노 공진기 설계 과정의 불규칙성과 구조적 복잡성을 극복하고, 강화된 빛과 물질 간의 작용을 통해 정밀하게 스펙트럼 모양 설계가 가능한 시스템을 개발했다”고 말했다.

전해곤 교수는 “이 기술은 인공지능 기술을 적용해 효율적인 설계법을 제시한 사례이며 다양한 결합 기반 광학 구조 디자인으로 확장이 가능해 앞으로 더욱 정교한 광학 결합 공전 실계에 널리 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스트 사이언스’ 9월 10일 온라인 게재됐다.