Fluor Wavelength Classification and Liquid Scintillators Using Image Acquired by CMOS Image Sensors and Deep Convolutional Neural Network

최지영, 주경광, 박주빈, 박현우, New Physics: Sae Mulli 73, 685 (2023)..

원전 중성미자 검출기에 사용되는 액체섬광검출용액(LS)은 역 베타 붕괴에서 방출되는 양전자와 고속 중성자를 효과적으로 탐지하게 성분이 구성된다. 역 베타 붕괴에서 방출된 고속 중성자는 LS의 핵심 작용기인 방향족의 탄화수소들과 탄성 산란을 통해 열화된다. 열 중성자 탐지를 위해, 리간드-금속 결합을 통하여 열 중성자 포획 단면적이 큰 금속을 중심으로 한 유기 금속 복합체 용질을 용매에 용해 혹은 분산시킨다. 유기 금속 복합체를 이루는 리간드(혹은 킬레이트, chelate)들은 금속 원자에 주로 산소, 질소, 황 원소를 통하여 전자를 공유한다. 유기 금속 복합체의 안정성이 원전 중성미자 실험 운용 중에 LS에 친핵성 물질, 자유 유리기, 습기 같은 불순물 침투는 LS 내 유기 금속 복합체의 배위 결합을 취약하게 만들고 연쇄 중합체 형성 인자, 다른 형광체의 소광체(quencher)로 작용한다.

특히 LS의 성능 확인 및 유지 보수할 때, 불순물이 LS 내 침투할 확률이 높다. 이러한 난점을 피하고자 침습적인 추출 기반의 분석 대신, 선행 연구 New Physics: Sae Mulli 72, 582 (2022)에서 제안된 컴퓨터 비전의 응용을 발전시켰다.

기계학습의 문제점으로 제기되는 낮은 범용성을 높이기 위해, 데이터 큐레이팅을 내장형 시스템과 발광다이오드(LED) 연동하여 천문학에서 제안된 파장 대비 선형화된 RGB 관계로 1차 생성 및 선별하였다. 학습 전략은 파장 대비 LED RGB 이미지 데이터를 노출 시간, 시준기 적용 유무, 카메라 후처리별로 생성하고, 컴퓨터 비전에서 기준 합성곱 신경망(CNN) 중 하나인 잔차 신경망(ResNets)에 생성된 데이터를 학습시켰다. 이러한 데이터 큐레이팅 결과, 신경망이 학습하지 않은 형광 이미지에 대한 예측과 실제 분광 광도계의 스펙트럼을 비교했을 때 검출영역 파장대에서 우수한 예측력을 보였다. 또한 신경망이 데이터 흐름 측면에서 어떻게 학습(혹은 필터링)이 되는지를 보였다.

자연어 처리 분야에서 트랜스포머가 처음 도입된 이후 컴퓨터 비전 분야에서도 비전 트랜스포머가 응용되기 시작하였다. 현실적인 중성미자 검출기 모니터링을 위해서는 LS의 분광 스펙트럼과 불순물에 의한 분광(섭동) 변화를 밀도 범함수 계산, 비전 트랜스포머가 이식된 내장형 시스템 구현, 그리고 그 최적화 연구가 필요하여, 관련 연구를 착수하였고, 학문 후속 세대를 위한 노하우 전달을 체계적으로 수행하고 있다.

백색 LED 조명용 색변환 필름의 적용을 통한 고연색성 조명 구현에 대한 연구

이규빈, 이현종, 조주법, 최인성, 박성민, 고재현, New Physics: Sae Mulli 73, 703 (2023).

주로 디스플레이의 색상 표현을 풍부하게 하는 용도로 활용되어 온 나노 반도체 재료인 양자점(quantum dot)이 최근에는 일반 조명의 색특성을 강화시키는 발광 재료로 연구되고 있다. 특히 COVID-19 시기 실내 생활의 질이 중요해짐에 따라 조명이 물체의 색을 자연스럽게 연출하는 성능인 연색성을 개선하는 노력이 활발하다. 가정에서 사용하는 백색 발광다이오드(LED)는 보색 관계인 청색 LED와 황색 형광체의 조합을 통해 백색광을 구현한다. 하지만 스펙트럼 상 빨간색 성분이 다소 부족해 이를 개선하기 위한 방법 중 하나로 적색 양자점을 적용하는 연구가 이루어져 왔다.

본 논문에서는 적색 양자점을 얇은 필름의 형태로 가공해 일반 백색 LED에 적용하는 방식과 광학 구조에 대한 연구 결과를 담고 있다. 조명의 구조는 네 개의 청색 LED와 각 LED 위에 네 개의 황색 형광체 플레이트를 올린 후 빛이 빠져나오는 투광부에 적색 양자점 필름을 적용한 구조다. 청색과 녹색광이 여기광으로 입사하면 적색 양자점 필름은 발광 스펙트럼에 적색 성분을 더하고 이를 통해 조명의 연색성이 개선된다.

그림은 황색 형광체의 두께(0.1~0.2 mm)와 필름 내 적색 양자점의 농도(0~5 wt%)에 따른 조명의 색상 변화를 보여주는 도표다. 이 결과는 두 색변환 소재의 적절한 조합과 광학 구조의 최적화를 통해 우수한 연색성과 다양한 색감의 구현이 가능한 조명을 구성할 수 있음을 보여준다. 이런 최적화된 구조의 활용을 통해 실내 조명의 빛 품질을 향상시킬 수 있고 이는 생활의 질의 향상으로 이어질 것이다.