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평면 플랙서블 투명 이미징 소자

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글쓴이 김대현 등록일 13-02-25 10:40
조회 832
    평면 플랙서블 투명 이미징 소자
     
    디자털 카메라, 의료 스캐너 및 기타 이미징 기술들은 수 십년 동안 많은 진보를 거듭해왔다. 이러한 혁신적인 진보와 더불어, 오스트리아 연구팀은 평면이며 플랙서블하고 투명며 폐기하기 쉬운 폴리머 시트에 기반하여 만들어진 소자가 이미지들을 포획하는 완전히 새로운 방법을 개발했다. 연구팀은 광학회 Optics Express 지에 보고된 논문을 통해 새로운 소자와 가능한 응용들에 대하여 묘사했다.

    플랙서블 플라스틱 필름으로 만들어진 새로운 이미저(imager)는 입사광을 포획하기 위해 형광 입자들을 이용하고 시트 (sheet)를 구성하는 센서 배열로 광을 전달한다.

    지금까지 알려진 바로는, 연구원들이 회로와 같은 어떠한 집적화 마이크로 구조 없이 완전히 투명하고 동시에 플랙서블하며 확장성이 있는 이미지 센서를 최초로 만들었다고 공저자인 오스트리아 요하네스 케플러 대학 Oliver Bimber가 말했다.

    이 센서는 예를 들어 청색 광인 매우 특정한 파장을 흡수하고 이후 예를 들어 녹색 광인 긴 파장으로 재방출하는 작은 형광 입자들을 이용하여 뒤덮인 발광 집광기로 알려진 폴리머 박막으로 이루어졌다. 얼마의 재방출된 형광은 이 이미저의 외부로 산란되지만, 대부분은 광을 1D 핀홀 (pinhole) 카메라와 비슷하게 광학 센서 배열들이 광을 포획하는 외부 끝으로 필름의 내부를 통해 전달된다. 이후 컴퓨터가 흑백 이미지를 만들기 위해 신호들을 결합한다.

    형광으로, 재방출된 광의 일부는 필름 내부에 실제적으로 머물게 된다. 이는 이들의 센서의 기본 원리이다.

    하나의 이미저로서 작동하기 위한 발광 집광기로, Bimber와 그의 동료들은 광이 이 필름의 전체 표면에 노출되는 위치를 정확히 측정해야 했다. 이는 이 폴리머 시트가 스마트폰 내부의 CCD 카메라처럼 개별 픽셀들로 나누어질 수 없기 때문에 주된 기술 문제로 남아있다. 대신, 표면을 거쳐 모든 점으로부터 나타나는 형광 빛은 모든 에지 (edge) 센서들로 이동한다.

    이 해법은 폴리머를 통해 이동할 때, 광 감쇠 혹은 약화의 현상에서 기인한다. 광이 더 멀리 이동할 수록, 더 약해지는 것이다. 그래서, 센서 배열에 도착하는 광의 상대 세기를 측정함으로써, 광이 필름에 들어오는 곳을 계산할 수 있다. 이 같은 원리는 이미 스크린 상에 단일 레이저 포인트의 위치를 추적하는 입력 소자에서 이용되었다.

    연구원들은 얼마나 광이 필름 끝에 위치한 이미지 센서 상의 개별 위치에서 모든 방향으로 도달하는지 계산하여 기본 원리를 확장할 수 있었다. 연구원들은 CT 스캔으로서 일반적으로 더 많이 알려진 엑스선 컴퓨터 단층 촬영과 비슷한 기술을 이용하여 이미지를 다시 만들었다.

    CT 기술에서, 하나의 스캐닝 방향만을 따라 엑스선 감쇠의 단일 측정으로 하나의 이미지를 재건할 수 있다. 하지만, 서로 다른 위치와 방향에서 다중 측정으로 가능해질 수 있다. 연구원들의 시스템이 CT와 같은 방법으로 작동하지만, CT의 경우 엑스선을 연구원들의 경운 가시광을 이용한다는 차이점을 가지고 있다고 Bimber가 언급했다.

    현재, 이 이미지 센서의 분해능은 첫 번째 프로토타입이 경우 32×32 픽셀로 낮다. 이에 대한 주된 이유는 이용되고 있는 저가 광다이오드들의 제한된 신호대 잡음비 때문이다. 연구원들은 더 높은 신호대 잡음비를 얻기 위해 광다이오드들을 좀 더 좋게 만드는 프로토타입들을 계획하고 있다.

    첨단 샘플링 기술들을 적용하여, 연구원들은 필름 상에 서로 다른 위치들에서 다중 이미지들을 재건함으로써 분해능을 이미 향상시킬 수 있다. 이 위치들은 폴리머 자신이 아니라 최종 이미지에 의해 결정되는 단일 픽셀 이하로 나타나게 된다. 재건된 약간 다른 다중 이미지들을 가지게 함으로써, 더 높은 분해능을 가진 이미지을 만들 수 있을 것이다. 이는 더 좋은 광다이오드가 필요한 것이 아니고 센서를 더 느리게 하지도 않을 것이다. 더 나은 이미지들을 가질수록 특정 한계까지 더 높은 최종 분해능을 가지게 된다고 Bimber가 말했다.

    연구원들이 이 새로운 기술을 사용할 주요 응용들은 텔레비전을 균일하게 뒤덮은 터치 프리 (touch-free), 투명 사용자 인터페이스 (interface) 혹은 다른 디스플레이 기술이다. 이는 컴퓨터 사용자나 비디오 게임 플레이어들에게 카메라나 다른 외부 움직임 추적 소자들 없이 모든 몸짓에 따라 조정될 수 있게 해준다. 또한, 폴리머 시트는 센서 성능으로 물체들을 제공하기 위해 물체들 근처를 둘러쌀 수 있다. 이 물질이 투명하기 때문에, 각각이 색깔 이미지들을 포획하기 위해 다른 파장에서 형광하는 다중 증들을 사용할 수 있게 해준다.

    또한, 연구원들은 규칙적이고 높은 분해능을 가진 CCD 센서 앞에 그들의 새로운 센서를 붙일 계획이다. 이 계획은 동시에 서로 다른 노출로 두 개의 이미지들을 기록할 수 있게 해 줄 것이다.

    이 두가지를 결합하는 것은 만약 높은 명암비 혹은 대비를 가진 풍경들이 포획된다면 적은 노출 과다 혹은 노출 부족된 영역들을 가진 고분해능 이미지를 얻을 수 있게 해줄 것으로 Bimber는 기대하고 있다. 또한, 이 소자의 폴리머 시트 부분이 상대적으로 싸기 때문에 폐기시킬 수 있다. 현재 연구원들은 이러한 이유로 지금까지 생각치 못한 많은 응용들을 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

    그림 1: 이것은 세계 최초의 플랙서블하고 완전히 투명한 이미지 센서이다. 플라스틱 필름은 형광 입자들로 코팅되었다.

    그림 2: 이 그림은 센서 표면 위에 집중된 지상 감증 자료와 재건된 이미지 사이의 비교 사진이다.
    키워드 : 이미저,플랙서블,평면,센서,플라스틱,형광
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