인더스트리 4.0과 자율주행을 위한 독수리 눈

넓은 시각을 가진 선명한 이미지를 생성하고 처리하기 위해, 마이크로 3D 프린팅의 대물 렌즈를 고해상도 CMOS 칩에 직접 적용하는 센서 시스템을 개발하였다.

비테 크리스트만(Beate Christmann

수 평방 밀리미터에 불과한 크기: 독일 슈투트가르트 대학의 새로운 센서 시스템의 경우 3D 프린팅의 광학 렌즈를 직접 고해상도 CMOS 칩에 장착한다.

각각의 생명체는 우리가 잘 모르는 놀라운 능력을 가지고 있다. 과학자들은 이러한 능력을 자연으로부터 발견하고 실제 기술에 응용하기 위한 생체공학에 집중하고 있다. 독일 슈투트가르트 대학 기술광학 연구소의 시몬 틸레와 그의 동료인 제 4 물리 연구소의 하랄트 기센 교수는 독수리의 날카로운 눈에 관심을 갖게 되었다. 독수리의 눈을 응용하여 재현하는 센서를 3D 프린팅에 적용하는 연구를 진행하였다. 독수리는 3km 상공에서도 작은 쥐와 같은 먹이감을 잘 식별할 수 있는 뛰어난 시야와 시각을 가졌다. 독수리는 전방과 측면을 동시에 볼 수 있다. 이 넓은 시야를 통해 측면에서 접근하는 먹이감이나 위험을 감지할 수 있다. 독수리의 시각적 특징은 그 누의 구조가 특별하기 때문인데, 날카로운 시각 영역인 노란색 반점 중심 함몰부인 중심 안와에는 많은 수의 시각 세포가 집중해 있으며, 가장 자리에는 측면을 담당하는 다른 안와가 자리하고 있다.

 

연구자들은 동물 모델을 카피하여 고해상도 CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 칩에 초점 거리와 시야가 다른 미세 대물 렌즈를 3D 프린팅하였다. 가장 작은 렌즈가 광각 렌즈의 초점 거리에 해당하는 초점 거리를 갖고, 두 번째 렌즈는 평균 시야각을 가지며, 가장 큰 렌즈는 망원 렌즈와 유사하게 시각 영역이 작은 매우 긴 초점 거리를 갖는다.

이광자 중합 광조형을 적용한 3D 프린팅

망원 렌즈부터 광각 렌즈까지: 슈투트가르트의 새로운 센서 시스템에는 초점 거리가 각기 다른 마이크로 대물 렌즈를 장착하였다. 4개의 개별 이미지에서 넓은 시야각을 가진 선명한 이미지가 앞면과 옆면에 나타난다.

3D 프린터는 2광자 중합을 사용하여 CMOS 칩 위에 렌즈를 정밀하게 만든다. 이 방법에서는 포토 레지스트에서 적색 펨토초 레이저 펄스에 의해 두 광자가 흡수되고, 액상 포토레지스트에서 가교 과정을 실시하는 청색 광자와 같이 작용한다. 스캐너는 자유 형태 렌즈 구조의 위치를 기록한다.

렌즈가 칩에서 생성하는 이미지는 전자식으로 읽고 처리된다. 소형 컴퓨터 프로그램은 망원 렌즈의 고해상도 이미지를 중앙에 묘사하고 광각 렌즈의 이미지는 가장 바깥쪽에 묘사하는 방식으로 이미지를 구성한다. 연구자들은 이 방법으로 중심에서 해상도가 향상되는 것을 입증할 수 있었다. 자율 주행 차량의 개발도 이 기술의 혜택을 받을 수 있다. 장애물을 인식하고 선행 차량과의 간격을 산정하려면 전방을 날카롭게 주시해야 한다. 이때 측면을 향하는 시야 범위도 놓쳐서는 안 된다. 지금까지는 차량을 둘러싼 많은 카메라와 센서 그리고 지붕 위의 회전 카메라가 필요했었다.

센서 시스템의 크기는 수 평방 밀리미터에 불과하기 때문에, 이 기술은 드론에도 장착할 수 있다. 이 센서들은 자체 IP 주소를 가지고 있으며 스마트폰을 통해 직접 액세스하고 읽을 수 있는 미니 컴퓨터에 연결되어 있다.