만 원짜리 칩 하나로 실험실급 분광기를? 스마트워치가 곧 개인 건강검진소가 될 수도 있다

나만 스마트워치 없어

혈당을 확인하고, 탈수 상태를 감지하고, 음식의 신선도까지 검사할 수 있는 센서가 스마트워치 부품 하나 크기라면 어떨까요? 공상과학처럼 들리는 이 이야기가, 케임브리지대학교 연구진이 개발한 새로운 광학 기술 덕분에 현실에 성큼 다가왔습니다.

실험실을 벗어나지 못했던 분광기

분광기(spectrometer)는 빛이 물질과 어떻게 상호작용하는지를 분석해, 화학 성분을 식별하고 물질의 특성을 측정하는 강력한 도구입니다. 의료, 제조업, 환경 모니터링, 과학 연구 등 다방면에서 널리 쓰이고 있죠. 문제는 이렇게 고성능인 분광기일수록 덩치가 크고 값이 비싸서, 대부분 실험실 안에서만 사용할 수 있었다는 겁니다.

케임브리지대학교 연구진이 스타트업 글리터린테크(GlitterinTech)와 함께 이 오랜 딜레마를 완전히 새로운 방식으로 풀어냈습니다. 실험실 수준의 정밀도를 유지하면서도, 휴대용이나 웨어러블 전자기기에 들어갈 만큼 작은 광학 분광기를 새롭게 개발한 겁니다. 가격은 약 10달러(약 만 3천 원), 크기는 겨우 몇 센티미터에 불과한데도, 소형 기기에서는 좀처럼 보기 힘든 수준의 정밀도를 유지합니다.

작아질수록 성능이 떨어지는 딜레마

분광학 분야의 오랜 난제는 크기와 성능 사이의 트레이드오프였습니다. 기기가 작아질수록 대역폭이나 해상도, 정확도가 떨어지는 게 일반적이라, 정밀한 측정이 필요한 용도로는 쓰기 어려웠습니다.

연구진이 새롭게 개발한 '합성곱 분광기(convolutional spectrometer)'는 이 문제를 전혀 다른 각도에서 접근합니다. 수학의 합성곱 정리(convolution theorem)에 뿌리를 둔 독특한 방식을 활용해, 기존의 분산형, 푸리에 변환형, 재구성형 분광기를 뛰어넘는 성능을 낸다는 것이 연구진의 설명입니다.

수학 이론을 광학에 그대로 적용하다

기존 분광기들은 대체로 빛을 분산시키거나, 계산적 방법으로 스펙트럼을 재구성하는 방식으로 작동해왔습니다. 반면 이번 합성곱 분광기는 들어오는 빛에 대해 합성곱 연산을 직접 수행하는 완전히 다른 접근법을 택했습니다.

이를 위해 연구진은 비대칭 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)와 마이크로링 공진기(microring resonator)를 비롯해, 주기적인 스펙트럼 반응을 갖는 일련의 광학 부품들을 활용했습니다. 이 부품들을 비례적으로 조정하면 시스템의 스펙트럼 반응이 정해진 방식으로 이동하게 되고, 이를 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 정확하게 스펙트럼으로 복원해낼 수 있습니다.

이번 연구를 이끈 주요 저자 중 한 명인 야오춘후이 박사는 "핵심은 수학으로 다시 돌아가서, 스펙트럼을 복원하는 근본적으로 더 깔끔한 방법이 있는지 묻는 것이었다"고 설명했습니다. 그는 "합성곱 정리를 광학 영역에 직접 적용함으로써, 소형 분광기들의 발목을 잡아온 여러 한계를 피할 수 있었다"며 "덕분에 높은 정밀도와 강력한 잡음 저항성을 갖추면서도, 계산 부담은 매우 낮은, 소형이면서 저렴한 시스템을 만들 수 있었다"고 덧붙였습니다.

1초 안에 측정 완료, 온도 극한에도 안정적

이 장치는 질화규소 기반 광집적 플랫폼 위에 구축됐으며, 내장 전자회로와 결합되어 넓은 근적외선 파장 대역(1200~1700nm)에서 작동합니다. 데이터 수집과 처리는 1초도 채 걸리지 않습니다. 또한 주기적인 설계 덕분에 하드웨어를 바꾸지 않고도 스펙트럼 대역폭을 거의 무한정 확장할 수 있고, 부품을 추가하는 것만으로 해상도를 대폭 높일 수도 있습니다.

플라스틱부터 혈당까지, 100% 정확도로 식별

연구진은 이 분광기를 다양한 실제 응용 분야에서 시험했습니다. 소재 및 식품 분석에서는 플라스틱, 의약품, 커피, 밀가루, 차를 100% 정확도로 정확히 식별해냈습니다. 또한 수용액과 유기용액의 농도를 약 0.01% 오차 범위로 측정했는데, 이는 시중에 판매되는 실험대용 분광기보다도 뛰어난 정확도입니다.

특히 주목할 만한 시연은 실제 생리학적 조건에서 인체 바이오마커를 비침습적으로 모니터링한 사례였습니다. 이 장치는 피부 수분, 혈중 알코올, 혈중 젖산, 혈당 수치를 정확하게 측정해냈습니다. 연구진은 한 참가자를 대상으로 장기간에 걸쳐 혈당 수치를 추적하는 데도 성공했습니다.

이번 프로젝트를 이끈 청치샹 교수는 "이런 생체의학적 시연들이 특히 흥미롭다"며 "이 연구가 돋보이는 이유는 단순히 실험실에서의 성능 때문만이 아니라, 실제 기술적 완성도 때문"이라고 설명했습니다. 이어 "야오춘후이 박사의 기여는 수학적 개념을 극한의 온도와 실제 환경에서도 안정적으로 작동하는, 완전히 패키징된 견고한 시스템으로 옮겨내는 데 결정적이었다"며 "바로 그 조합이 실제 상용화로 가는 문을 열어준 것"이라고 덧붙였습니다.

실제로 이 장치는 영하 20도부터 영상 80도에 이르는 넓은 온도 범위에서도 안정적인 성능을 유지했습니다. 이 정도의 내구성은 소형 분광기에서는 흔치 않은 수준이며, 웨어러블·산업용·야외용 응용 분야에는 필수적인 조건입니다.

단순한 설계, 낮은 연산 부담

이 합성곱 분광기의 장점은 측정 성능에만 있지 않습니다. 기존의 고성능 소형 분광기들은 대체로 복잡한 보정 절차와, 잡음에 취약할 수 있는 계산 집약적인 재구성 방법에 의존해왔습니다. 반면 합성곱 연산이 가진 선형적인 특성 덕분에, 이 시스템은 매우 적은 연산 능력만으로도 스펙트럼 정보를 빠르고 안정적으로 복원할 수 있습니다.

광자 시스템 설계와 집적화에 기여한 리처드 펜티 교수는 "이는 우아한 공학이 실질적인 임팩트로 이어질 수 있음을 보여주는 아름다운 사례"라며 "구조 자체는 단순하고 확장 가능하며 대량 생산도 가능한데, 훨씬 더 큰 장비들과 맞먹거나 그 이상의 정밀도를 낸다"고 평가했습니다. 그는 "야오춘후이 박사는 광자 설계와 시스템 통합, 실험적 검증을 하나로 엮어내는 데 핵심적인 역할을 했다"고 덧붙였습니다.

온도계나 모션 센서처럼, 어디에나 있는 분광기를 꿈꾸다

연구진은 이 새로운 부류의 분광기가 내장형 분광학 분야에서 중요한 진전이 될 수 있다고 믿고 있습니다. 저렴하면서도 정밀도가 높은 이런 장치들은 제조업의 스마트 센서, 실시간 식품 품질 모니터링, 대규모 환경 분석 등을 뒷받침할 수 있습니다. 의료 분야에서는 수분 상태 모니터링, 음주 감지, 피트니스 트래킹, 그리고 당뇨 환자를 위한 연속 혈당 모니터링 등의 잠재적 응용 분야가 거론됩니다.

청치샹 교수는 "우리의 목표는 분광 측정을 온도나 모션 센싱만큼이나 흔한 기술로 만드는 것"이라며 "이번 연구는 고품질 스펙트럼 정보가 더 이상 실험실에만 갇혀 있을 필요가 없다는 것을 보여준다. 사람들이 일상적으로 사용하는 기술 안에 직접 내장될 수 있다"고 덧붙였습니다.

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수학 이론 하나가 광학 공학과 만나 만들어낸 이 작은 칩이, 언젠가 손목 위에서 우리의 혈당과 수분 상태, 심지어 그날 마신 술의 양까지 조용히 지켜보는 날이 올지도 모르겠습니다.

참고 논문: Chunhui Yao 외, "Optical convolutional spectrometer", Nature Photonics (2026년 4월 15일), DOI: 10.1038/s41566-026-01891-6

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