[와우! 과학] 초당 1,000억 프레임 ‘세계에서 가장 빠른 카메라’ 개발

인간의 눈은 일정 속도 이상으로 빠르게 움직이는 대상은 잘 보지 못한다. 그래서 우리는 빠르게 움직이는 물체를 자세히 보기 위해 초당 수백에서 수천 프레임의 사진을 찍을 수 있는 고속 카메라를 사용한다. 고속 카메라를 사용하면 아슬아슬한 차이로 결승점에 도달하는 빙상 선수나 경주마들 가운데 누가 가장 먼저 도착했는지 알 수 있다. 물방울이 수면과 충돌하면서 보여주는 독특한 왕관 모양의 모습 역시 고속 카메라 없이는 생동감 있게 볼 수 없을 것이다. 이런 고속 카메라는 때때로 예술의 영역과도 닿아있다.

하지만 사실 세상에서 가장 빠른 속도로 사진을 찍을 수 있는 고속 카메라를 사용하는 영역은 스포츠 판정이나 영화가 아닌 과학 분야이다. 생물학자들은 매우 빠른 속도로 움직이는 곤충이나 심지어 박테리아의 편모 하나를 초당 1,000프레임 이상의 고속 카메라로 찍어서 세밀하게 관찰하고 연구한다. 입자의 운동을 연구하는 과학자들은 더 극단적인 고속 카메라를 사용하기도 한다.

▲ 5 나노초 이내에 컴퓨터 이미지 처리

워싱턴 대학의 리홍 왕(Lihong Wang) 교수가 이끄는 연구팀이 과학저널 네이처지 최신호에 발표한 내용에 의하면 현재까지 개발된 것 가운데 세계에서 가장 빠른 2D 카메라(World's fastest 2-D camera)가 개발되었다고 한다. 이 카메라는 초당 1,000억 프레임(100 billion frames per second)이라는 믿기 힘든 속도로 사진을 찍을 수 있다.

물론 이 카메라는 물론 우리가 생각하는 디지털카메라와는 많이 다른 구조로 되어 있다. 연구팀은 자신들의 카메라 기술을 압축 초고속 촬영술(compressed ultrafast photography (CUP))이라고 명명했다. 이들의 카메라는 레이저 빔과 복잡한 물리 현상을 동원해 극도로 짧은 시간 동안 일어난 일을 기록할 수 있다. 이렇게 얻은 데이터는 5 나노초(nanosecond, 10억분의 1초) 이내에 CCD 소자를 통해서 컴퓨터로 전송된 후 컴퓨터 이미지 처리를 통해서 볼 수 있게 된다.

▲ 의학 및 화학,우주 연구에 큰 도움 기대

그런데 왜 이렇게 ‘빠른 카메라’가 필요한 것일까? 이 연구를 후원한 미국 국립 보건원(NIH)의 리처드 콘로이(Richard Conroy, PhD)박사는 이 연구를 통해 발명된 카메라가 앞으로 의학 및 화학 연구에 크게 이바지할 수 있을 것으로 내다봤다. 극도로 짧은 시간 동안 일어나는 화학 반응 및 생물학적 반응을 고속 카메라로 찍을 수 있다면 그 메커니즘을 이해하기가 한결 수월해질 것이기 때문이다. 천문학자들은 초신성 폭발과 같은 매우 빠르게 일어나는 자연 현상을 분석할 수 있다고 보고 있다. 이외에도 CUP 기술은 여러 분야에서 응용이 될 가능성이 있다.

이전에도 초당 1,000만 프레임으로 사진을 찍을 수 있는 기술은 있었다. 이 기술은 기존의 기술적 한계를 1만 배로 돌파했다. 인류가 피코초(Picosecond, 1조분의 1초) 단위의 일을 사진으로 찍을 수 있는 기술적 토대가 마련된 것이다. 비록 일상생활에서 우리가 이런 카메라를 사용할 일은 없겠지만, 이 기술을 이용한 연구들이 신약 개발이나 신물질 개발에서 큰 성과를 보인다면 우리의 삶에도 큰 영향을 미칠 가능성은 있다고 하겠다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com