POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 노준석  교수, 기계공학과 박채리 · 이석호 통합과정 연구팀이 메타(meta) 광학 연구와 인공지능(AI)을 결합한 차세대 연구 트렌드를 제시했다.

메타 렌즈는 기존 렌즈 두께를 1만분의 1 정도로 줄이면서도 빛의 특성을 제어할 수 있어 광학 분야에서 혁신을 일으키고 있다. 최근 학계는 AI를 인풋(input)과 아웃풋(output) 데이터 간 관계를 찾는 연결(mapping) 도구로 활용하고 있는데, 연구팀은 이번 논문을 통해 AI 기반 메타광학 연구의 세 가지 주요 트렌드를 소개한다.

기존 연구에서는 메타물질을 기반으로 기기를 개발하기 위한 시뮬레이션에 오랜 시간이 필요했다. 그런데, AI 기술을 적용하면서 컴퓨터에 입력한 데이터에 따른 광학적 특성을 빠르게 예측해 시간과 에너지를 효과적으로 줄이는 데 성공했다. 또, 광학적 특성에 대한 데이터를 AI에 입력하면 연구진이 원하는 특성을 가진 광학 기기를 역설계하는 것도 가능해졌다.

또, 광 신경망 분야에서는 메타물질을 이용해 정보를 빛으로 변환함으로써 빛의 속도로 AI를 구현하는 광컴퓨터 기술이 떠오르고 있다. 특히, 연구팀은 기존 연구와 달리 광 신경망을 정보를 압축 · 추상화하는 ‘인코더(Encoder)’와 정보를 해석하는 ‘디코더(Decoder)’로 분류함으로써 AI와 미래 메타 광학 연구를 연결하는 새로운 관점을 제시한다.

그리고, 연구팀은 메타물질을 기반으로 한 메타 센서도 차세대 연구 트렌드 중 하나로 언급했다. 메타 센서는 측정된 정보를 빛의 형태로 인코딩하고, 동시에 증폭하는 장치로 이를 AI와 결합하면 정보를 매우 정밀하고 빠르게 분석할 수 있다. 이러한 메타 센서는 환자를 진단 · 치료하거나 환경 모니터링, 보안 등 다양한 분야에서 세밀하게 정보를 감지하고 분석하는 데 큰 잠재력을 가진다.

노준석 교수는 “이번 논문을 통해 최신 연구부터 개선 과제, 미래 연구 트렌드에 이르기까지 메타광학 연구의 과거, 현재, 미래를 제시했다”며, “AI와 메타물질의 근본적인 특성을 활용해 더 창의적이고 혁신적인 연구가 이어지길 바란다”는 기대를 전했다.

한편, 이번 연구는 국제 학술지인 ‘커런트 오피니언 인 솔리드 스테이트 앤 머티리얼즈 사이언스(Current Opinion in Solid State and Materials Science)’에 ‘빛과 정보의 연결: AI가 만들어가는 미래 메타광학의 트렌드(Mapping information and light: Trends of AI-enabled metaphotonics-보기)’란 제목으로 3월호에 게재됐다.