과학자들이 모래알에 맞는 분광계 칩을 만들었습니다.
분광계란 무엇입니까?
분광계는 물질이 빛과 어떻게 상호 작용하는지 연구하여 물질을 분석하는 과학 도구입니다. 광원이 물질에 닿으면 이 물질은 해당 빛의 일부를 흡수하여 특징적인 스펙트럼을 방출합니다. 과학자들은 이 스펙트럼을 연구하여 이 물질의 화학 성분을 식별할 수 있습니다.
스펙트럼 감지는 질병을 진단하고, 밭에서 작물의 건강을 평가하거나, 토양의 질을 측정할 수 있습니다. 기존 분광계는 프리즘이나 격자를 사용하여 빛을 무지개 색상으로 분할한 다음 각 색상의 밝기를 측정합니다. 제대로 분리하려면 빛이 특정 거리를 이동해야 하기 때문에 기존 분광계 장비는 크고 비싼 경향이 있습니다.
분광계 칩이란 무엇이며 어떻게 작동합니까?
분광계 칩은 기존 분광계의 소형 버전입니다. 엔지니어들은 모든 광 감지 구성 요소를 작은 실리콘 조각 위에 직접 제작합니다. 이 칩은 실제 크기의 실험실 기기와 동일한 핵심 작업을 수행합니다. 즉, 빛을 분석하여 물질의 화학적 구성을 식별하지만 부피가 큰 광학 부품 없이도 수행합니다.
전통적인 분광계는 유리 프리즘이나 회절 격자를 사용하여 물리적으로 빛을 스펙트럼으로 확산시킵니다. 분광계 칩은 다른 접근 방식을 취합니다. 이 칩은 빛을 물리적으로 분리하는 대신 작은 광검출기 배열을 사용합니다. 각 검출기는 약간 다른 파장 범위에 반응합니다. 센서 어레이의 각 픽셀은 빛을 선택적으로 수신하고 컨트롤러가 액세스할 수 있는 스펙트럼 필터링된 신호를 생성합니다.
감지기의 신호는 인코딩되어 중첩됩니다. 단일 감지기는 한 가지 색상을 깨끗하게 판독할 수 없습니다. 종종 기계 학습으로 구동되는 처리 장치는 모든 신호를 함께 분석하고 전체 스펙트럼을 계산 방식으로 재구성합니다. 이 접근 방식은 프리즘의 물리적 작업을 수학적 계산으로 대체합니다.
그 결과, 손가락 끝에 딱 맞으면서도 화학 물질을 식별하고, 질병 표지를 감지하고, 반사광이나 투과광을 분석하여 식품 품질을 평가할 수 있는 장치가 탄생했습니다.
분광계를 더 작게 만들려는 노력
수년 동안 과학자들은 분광계를 축소하기 위해 노력해 왔습니다. 크기가 200cm² 크기의 벤치탑 장비에서 40mm² 크기의 휴대용 마이크로분광기로 축소되었습니다. 각 단계의 크기 감소로 인해 비용도 감소하여 이 기술의 접근성이 높아졌습니다.
미시간 대학의 한 연구팀은 가혹한 환경을 견딜 수 있는 0.16mm² 크기의 종이처럼 얇은 소형 분광계를 개발했습니다. 연구원들은 웨어러블 피부 패치를 통해 운동선수의 땀을 분석하기 위해 이 장치를 설계했습니다. 이러한 노력은 더 작은 분광계가 가능하다는 것을 보여 주었지만 연구자들은 더 나아가기를 원했습니다.
UC Davis의 새로운 소형 칩
이제 캘리포니아 대학 데이비스(UC Davis)의 연구원들은 모래알 크기에 가까운 분광계 칩을 만들었습니다. 이 칩의 크기는 0.5제곱밀리미터 미만입니다. Saif Islam 교수가 이끄는 이 팀은 Advanced Photonics 저널에 결과를 발표했습니다.
논문의 첫 번째 저자이자 박사후 연구원인 Ahasan Ahamed는 “우리는 이 능력을 실험실에서 꺼내 주머니에 넣고 싶었습니다.”라고 말했습니다.
UC Davis 칩의 작동 방식
UC Davis 칩은 빛을 분리하기 위해 프리즘이나 격자를 사용하지 않습니다. 대신 인공지능(AI)과 결합된 작은 센서 세트에 의존합니다.
이 칩은 16개의 실리콘 광검출기를 사용하며, 각 광검출기는 서로 다른 빛의 파장에 민감합니다. 각 광검출기는 스펙트럼 정보의 일부만 캡처합니다. 16개의 광검출기는 함께 신경망이 전체 광 스펙트럼을 재구성하는 데 충분한 데이터를 수집합니다.
이 16개의 광검출기를 복잡한 요리를 샘플링하는 맛보기 그룹으로 생각해보세요. 한 명의 맛보는 사람이 모든 성분을 식별할 수는 없지만 함께 훈련된 전문가가 레시피의 이름을 지정하는 데 충분한 정보를 제공합니다. AI가 그 전문가의 역할을 맡는다.
AI 증강 칩은 심각한 전기 간섭이 있는 경우에도 신호 선명도를 유지할 수 있습니다. 이는 휴대용 저비용 전자 제품의 주요 과제입니다.
적외선까지 감도 확장
핵심적인 기술적 과제는 칩의 감도를 가시광선 이상으로 확장하는 것이었습니다. 실리콘 센서는 가시광선 파장에 대해 잘 작동하지만 일반적으로 근적외선(NIR) 광(최대 1100nm 파장)을 감지하는 데 어려움을 겪습니다. NIR 빛은 가시광선보다 더 깊숙이 인체 조직에 침투할 수 있기 때문에 의료 응용 분야에서 중요합니다.
UC Davis 팀은 광자 포획 표면 구조로 실리콘 감지기의 표면을 텍스처링하여 이 문제를 해결했습니다. 그들의 칩은 300nm에서 1100nm까지의 넓은 스펙트럼 범위를 포괄하며 이는 모래알 크기와 비슷합니다. 질감이 있는 표면은 NIR 광자를 실리콘 층 내부에 반복적으로 산란시켜 재료가 NIR 광자를 흡수할 가능성을 높입니다.
초고속 조명 이벤트 측정
색상 측정 외에도 이 칩은 광자가 재료 내부에서 얼마나 오래 생존하는지 추적할 수도 있습니다. 이 칩에는 매우 정밀하게 광자 수명을 측정하는 고속 센서가 통합되어 있습니다. 이 기능을 통해 장치는 기존 분광계가 종종 놓치는 빛과 물질 사이의 초고속 상호 작용을 감지할 수 있습니다.
과학자들은 이 칩을 어떤 작업에 사용합니까?
소형 디자인으로 인해 다양한 실용적인 응용 분야가 가능해졌습니다.
약: 의사들은 소형 휴대용 장치를 사용하여 진료 현장에서 질병을 진단할 수 있습니다. 이 칩이 장착된 웨어러블 모니터는 피부를 통해 환자의 혈액 화학을 실시간으로 추적할 수 있습니다.
식품 안전: 이 기술은 밭에서 작물의 건강을 평가하거나 토양의 질을 측정할 수 있습니다. 소비자나 식품 생산자는 샘플을 실험실로 보내지 않고도 농산물을 스캔하여 신선도를 확인하거나 오염 물질을 검출할 수 있습니다.
환경: 연구원들은 또한 지구 관측을 위한 소형 초분광 분광계 온칩 시스템을 개발하여 식물과 토양 상태를 정밀하게 분석할 수 있습니다. 이 작은 칩은 광역 환경 모니터링을 위해 드론이나 위성에 장착될 수 있습니다.
일상적인 장치: UC Davis 팀은 “우리는 시계나 휴대폰이 단지 사진을 찍는 데 그치지 않고 주변의 화학적 세계를 분석하는 미래를 위한 길을 닦고 있습니다.”라고 말했습니다.
AI와 소형화된 하드웨어의 결합은 이러한 발전의 핵심 통찰력입니다. 신경망은 광학이 물리적으로 수행했던 계산 작업을 수행하기 때문에 칩에는 부피가 큰 광학 구성 요소가 필요하지 않습니다. 하드웨어 분리에서 소프트웨어 재구성으로의 이러한 접근 방식의 변화는 차세대 감지 장치를 정의할 수 있습니다.