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초음파로 지문인식하는 메타렌즈 나온다

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초음파로 지문인식하는 메타렌즈 나온다

2018.11.23 10:55
한국기계연구원 나노자연모사연구실 허신(사진 오른쪽) 책임연구원이 연구진과 함께 음향 메타렌즈 실험장치를 살펴보고 있다. 사진제공=한국기계연구원
허신 한국기계연구원 나노자연모사연구실 책임연구원(오른쪽)이 연구진과 함께 음향 메타렌즈 실험장치를 살펴보고 있다.-한국기계연구원 제공

국내 연구진이 초음파로 지문을 인식하는데 사용되는 고성능 음향 메타물질 렌즈(메타렌즈)를 개발했다.

 

한국기계연구원 나노자연모사연구실 허신 책임연구원 연구진은 22일 스마트폰 지문 인식과 비파괴 검사에 사용되는 음향 메타렌즈의 회절 한계를 극복해 해상도를 4배 높이는데 성공했다고 밝혔다.

 

기존에 스마트폰에서 사용되는 지문인식 기술은 손가락의 전기적 신호 변화를 인식해 지문을 인식하는 방식이어서 해킹 위험에 노출돼 있다. 이런 이유로 보안성이 뛰어난 초음파 지문인식 기술이 활발하게 연구되고 있다.

 

모든 음파는 물체에 부딪힌 다음 그 정보를 담은 채로 반사되는 소멸파를 생성한다. 소멸파는 거리에 따라 빠르게 세기가 감소한다. 정보도 사라져 버리는 것이다. 하지만 음향 메타렌즈에 통과시키면 정보가 없어지지 않고 이미지 형태로 만들 수 있다. 공진 터널링은 메타렌즈의 터널구조 안으로 들어오는 음파 고유 진동수와 터널 내부 공진주파수가 같을 경우 음파가 에너지 손실없이 통과하는 현상이다.

 

음향 메타렌즈 내부에서는 여러 개의 공진터널링 주파수가 발생한다. 하지만 이를 이용해 만든 이미지의 해상도를 높이려면 여러 공진현상이 일어나도록 각 주파수에 맞도록 렌즈 두께를 다르게 제작해야 하는 문제가 있었다.

연구진이 3D프린팅으로 제조한 음향 메타물질 렌즈(왼쪽)과 이를이용해 이미지를 만들어내는 장치의 모습(오른쪽)이다.-한국기계연구원 제공
연구진이 3D프린팅으로 제조한 음향 메타물질 렌즈(왼쪽)과 이를 이용해 이미지를 만들어내는 장치의 모습(오른쪽)이다.-한국기계연구원 제공

메타렌즈를 이용한 이미징 장치는 들어온 음파의 정보를 확인하기 위해 두 개의 센서를 음파수신부의 반대편에 위치시키는 구조다. 이 센서들은 해당 메타렌즈가 가진 회절한계값 이내에 배치시켜야한다. 회절한계 값은 공간의 분해능을 좌우하며, 회절한계값 이하에 거리로 센서를 가깝게 위치시키면 그정보를 확인할 수 없다.  이때 여러 개의 공진주파수를 이용해 터널링 현상을 구현하면 회절 한계 값이 개선돼 분해능이 좋아진다.

 

연구진은 음향 메타렌즈 내부에서 두 번의 공진터널링 현상이 발생하는 원리를 규명하고 기존의 보다 회절한계값이 4배 향상된 메타물질을 제작했다. 이를 이용해 두께 변화가 필요없는 단일 렌즈로 4배 높은 해상도의 이미지를 만들었다. 결국 지문에 쏜 초음파에서 생성된 소멸파 정보를 해석할 때, 기존보다 4배 가까운 거리에 위치한 두 지점에서 오는 음파 정보를 구분할 수 있게 된 셈이다. 3D프린팅 기술로 음향 메타물질을 제작하면 장비 생산 비용도 크게 절감할 수 있다는 평가다.

 

허신 책임연구원은 “음향 메타렌즈는 근접한 거리에서 이미징이 필요한 초음파 지문인식, 근접장 음향현미경, 생체 이미징, 비파괴검사 기술 등에 활용된다”며 “음향 이미징 장치의 성능이 향상시켜, 이를 널리 상용화할 수 있는 발판을 마련한 것”이라고 말했다.

 

이번 연구는 학술지 ‘사이언티픽 리포트’ 10월 19일자 온라인판에 게재됐다.

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