재미로 보는 기술과 특허

카카오톡 Open AI AskUp 사용법입니다.

카톡의 검색창에서 AskUp을 검색한 후 채널을 추가합니다.

그러면 아래와 같이 소개하는 글이 보여집니다.

대화창에 질문을 하면, ChatGPT처럼 답변을 합니다.

국가전략기술인 양자기술 분야의 산업화 촉진을 위한 국제표준화 전략과 기술위원회 신설 추진을 논의하기 위해 미국, 독일, 영국 등 양자기술 주요 선도국의 전문가들이 한자리에 모입니다.

산업통상자원부 국가기술표준원은 2월 13일부터 14일까지 제주에서 국내외 표준 전문가 30여 명이 참여하는 양자기술 표준화 평가그룹 회의를 개최합니다.

이번 회의에서는 우리나라가 주도하여 작성중인 양자기술 국제표준화 로드맵을 논의할 예정이며, 로드맵은 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱, 양자소재의 4개 핵심 분야로 구성되어 있습니다.

아울러, 참석 전문가들은 양자기술 로드맵을 본격 추진하기 위한 기술위원회를 신설하는 방안을 논의하게 됩니다.

그간, 우리나라는 양자기술 동향, 활용분야, 표준화 수요 등을 제시하는 IEC 백서 발간(‘21년 10월)을 주도하였고, 양자기술 표준화 평가그룹(SEG14) 설립(‘22년 2월)을 이끌어 낸 바 있습니다.

참고

http://www.motie.go.kr/motie/ne/presse/press2/bbs/bbsView.do?bbs_cd_n=81&cate_n=1&bbs_seq_n=166783 

OpenAI의 ChatGPT

홈페이지 

https://openai.com/blog/chatgpt/

홈페이지 왼쪽 하단의 Try CHATGPT를 누른 다음 Sign up를 합니다.

그리고 아래쪽 대화창에 질문을 하면 AI가 답변을 합니다.

김 서림 방지하는 안경에 대한 자료를 검색하다 베셀빔이라는 단어를 봤습니다.

https://funtech.tistory.com/66

베셀빔이 무엇인지 찾아봤습니다.

공개특허 10-2022-0146977호에는 베셀 빔의 원리 및 베셀 빔을 구현하기 위한 광학계가 나타나 있습니다(1).

단면 프로파일이 가우시안 형태인 레이저 빔을 엑시콘 렌즈(Axicon Lens)를 이용하여 베셀 빔으로 변환시킵니다.

엑시콘 렌즈뿐 아니라, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿을 이용할 수도 있습니다.

레이저의 기본적인 빔 프로파일인 가우시안 형태는 에너지의 소모가 크며 광 파장에 가깝게 빔의 집속이 어려워 미세 패턴을 형성하기 어렵습니다.

그러나, 베셀 빔은 좁은 영역에 빔을 집속하여 에너지의 소모를 줄이고 집중도를 증가시켜 빔의 초점크기를 감소시키기 때문에 미세 패턴을 형성하기 쉽고, 긴 초점심도를 가져 비평면 기판에 패턴 형성을 가능하게 하는 장점이 있습니다.

베셀 빔 형성 과정에서, 레이저 빔은 빔 확대기(beam expander)를 통과하면서 빔 확대기의 조절에 의해 빔의 크기를 자유롭게 변환할 수 있습니다.

빔의 크기가 자유롭게 변화되면 초점 영역이 확대기의 조절에 맞추어 변화하고 이를 통해 초점심도를 개선할 수 있습니다.

일반적으로 레이저에서 나오는 빛의 세기는 가우시안 분포를 가지고 있습니다. 가우시안 분포의 빛은 앞으로 진행하면서 가우시안 분포의 높이가 낮아집니다. 즉 빛의 세기가 약해집니다.

레이저나 빛을 활용하는데 있어 거리가 멀어질수록 빛의 세기가 약해지는 것은 단점이 될 수 있습니다.

아래 그림은 가우시안 빔과 베셀빔이라는 무회절(Diffraction free) 빔의 진행 과정을 보여줍니다.

렌즈를 통과한 가우시안 빔은 초점을 지나 퍼져 나갑니다. 한번 가우시안은 영원한 가우시안이라는 말이 있듯이 렌즈를 통과한 빛의 세기 분포 역시 가우시안 분포를가집니다.

오른쪽 그림은 베셀빔이라는 무회절(Diffraction free) 빔입니다. 세상에 회절이 없는 경우는 없습니다. 단지 무회절 빔처럼 보인다고 해서 이름을 그렇게 지은 것입니다.

엑시콘 렌즈(Axicon Lens)나 엑시콘 렌즈(Axicon Lens)와 동일한 위상변환함수를 가진 광학소자를 통과하면 빛은 각도를 가지고 양쪽으로 나누어 집니다.

양쪽으로 나누어진 빛이 중첩되는 부분의 가운데는 빛의 세기가 일정합니다. 그래서 회절(손실)이 없이 빛의 세기 또는 에너지가 유지된다고 표현합니다. 

다만 일정한 거리동안 빛의 세기가 일정해야 하는 곳에서 사용한다면 많은 장점을 가집니다.

또한, 초점의 깊이인 초점심도가 커서 높이 오차가 있는 기판에 빛을 집속할 때 일정한 세기로 노출시킬 수 있습니다.

참고

(1) 공개특허 10-2022-0146977호

(2) https://web.ics.purdue.edu/~nowack/nowackpubs-dir/gmigpaper1.2009.pdf

스위스 취리히연방공대 연구진이 햇빛을 열로 변환해 김 서림을 방지하는 기술을 개발했습니다.

안경에 김이 서리는 이유는 온도 차이 때문입니다.

산화티타늄 사이에 아주 얇은 금을 코팅한 후 이를 안경 렌즈 표면에 바르면, 금이 태양의 적외선을 선택적으로 흡수해 최대 섭씨 8도까지 온도를 높여줍니다.

적외선의 열만 흡수해 안경 렌즈를 따뜻하게 만들어 김이 서리지 않는 것이다.

열선이 깔린 자동차 창문과 원리는 비슷하지만, 햇빛을 흡수하면 되기 때문에 특별한 에너지원이 필요 없습니다(1).

아래 그림은 공개특허 10-2022-0091657호의 도면으로, 발열부를 이용하여 렌즈 내부로 일부 유입된 습기를 건조시키는 것을 특징으로 합니다(2).

아래 그림은 공개특허 10-2022-0146977호의 도면입니다.

기재 상에 금속 나노입자 용액을 코팅하여 나노입자 용액층을 형성한 후, 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 나노입자를 제1차 소결시켜 미세 패턴을 형성하고, 소결된 나노입자에 플래시 램프를 조사하여 제2차 소결시켜 미세 열선을 형성하는 방법입니다(3).

겨울철이 되면 항상 안경에 김 서림으로 인해 불편함을 겪었는데, 이런 연구개발로 인해 불편함이 많이 사라졌으면 좋겠습니다.

참고

(1) https://n.news.naver.com/article/023/0003734663?cds=news_my 

(2) 공개특허 10-2022-0091657호 http://www.kipris.or.kr/

(3) 공개특허 10-2022-0146977호

카메라의 구조와 원리에 대해 알아 봤습니다. 

https://funtech.tistory.com/64

이제 핸드폰용 카메라의 구조가 궁금해집니다.

핸드폰이나 스마트폰에 사용되는 카메라는 기존의 카메라와 비교하여 어떤 구조적 차이가 있는지 알아봤습니다.

아래 그림은 등록특허 10-1224791호의 도면입니다.

카메라모듈은 다수의 렌즈를 포함하는 렌즈모듈(10), 적외선 빛을 필터링하는 IR필터(12), 이미지 센싱을 수행하는 이미지 센서부(13), 그리고, 카메라의 자동촛점을 위하여 렌즈모듈을 상하로 구동시키는 액츄에이터인 VCM구동부(11, Voice Coil Module)로 구성됩니다.

실재 사용하고 있는 카메라 모듈은 아래 사진과 같습니다(2).

카메라 모듈 아래에는 스마트폰과 연결하는 기판인 Flexible PCB가 있습니다.

참고

(1) 등록특허 10-1224791호 http://www.kipris.or.kr/

(2) https://www.samsungsem.com/

카메라의 구조를 알아 봤습니다.

카메라는 몸체(바디), 렌즈 광학계, 센서로 구성됩니다.

카메라의 렌즈 광학계는 다양한 종류가 있습니다.

그 중에서 일반적인 구조를 통해 렌즈의 구성 및 원리를 알아봤습니다.

아래 렌즈 광학계는 등록특허 10-1834094에 나오는 구조입니다.

G1, G2, G3, G4 4개의 렌즈군(group)을 포함하고 있고, 오른쪽 끝에 있는 이미지면(I)에는 이미지 센서가 있습니다.

빛이 들어오는 G1 쪽의 렌즈가 가장 크고, 이미지 센서 쪽에는 필터(FL)가 있습니다.

렌즈가 많은 이유는 색수차, 구면수차 등의 렌즈가 가지고 있는 수차를 서로 보상하면서 수차를 감소시켜 이미지를 명확하게 만들기 위함입니다. 또한 줌렌즈 기능을 위해서는 많은 렌즈가 필요합니다.

렌즈가 많이지면 좋은 화질과 줌렌즈 기능을 가지지만 무거워 지기 때문에, 최적화를 통해 적당한 품질과 렌즈의 숫자를 선택하게 됩니다.

줌렌즈의 렌즈군(G1, G2, G3, G4)을 미세하게 이동시키기 위해 정밀모터를 사용합니다.

위의 그림에서 줌렌즈의 이동은 W(wide)에서 T(tele)로 변경될 때 각 렌즈군의 위치로 표현하고 있습니다.

참고

(1) https://www.nikon-image.co.kr/

(2) http://www.kipris.or.kr/ 등록특허 10-1834094

사물이 결상되는 원리를 알아 봤습니다.

https://funtech.tistory.com/62

그런데 왜 작은 구멍 또는 핀 홀(pin hole)일까 하는 의문이 생깁니다.

작은 구멍 또는 핀 홀(pin hole)이 없다면 어떤 현상이 생길까요?

핀홀이 3개 있다고 가정하면 3개의 이미지가 결상되면서 서로 중첩되는 부분은 선명하지 않고 흐려집니다.

만약 핀홀의 수를 무한대로 늘려서 핀홀이 없어진다면 아주 많은 이미지가 서로 중첩되면서 어떤 이미지인지 알아 보기 힘들어 집니다.

물체로 부터 반사되는 빛이 많다, 적다만 구별할 수 있을 것입니다.

현재의 카메라는 핀홀 위치에 렌즈가 있습니다.

렌즈는 핀홀과 비교하여 어떤 역할을 하는 것일까요?

핀홀은 물체로 부터 반사되는 빛 중에서 핀홀을 통과하는 빛만 사용하기 때문에 어둡습니다.

아래 그림에서 왼쪽 화살표는 물체이고, 오른쪽 거꾸로 선 화살표는 결상된 이미지입니다.

렌즈에 평행하게 들어온 빛은 렌즈의 초점을 지나고, 렌즈의 초점을 지나온 빛은 렌즈를 통과하면서 평행하게 됩니다. 렌즈의 중심을 지나는 빛은 직진합니다. 이것이 렌즈의 원리입니다. 

그러면 위의 그림처럼 이미지가 결상되는데, 핀홀과 달리 막히는 곳이 없습니다.

즉 렌즈를 통과한 모든 빛은 이미지를 결상하는데 사용됩니다.

밝고 깨끗한 이미지를 만들 수 있습니다.

그래서 핀홀 카메라는 렌즈 카메라로 개량됩니다.

지금의 카메라는 복수개의 렌즈로 구성됩니다.

렌즈가 가진 색수차, 구면수차 등을 보상하여 좀 더 깨끗한 이미지를 결상하도록 하기 위해 복수개의 렌즈를 사용합니다.