10조분의 1초 '찰나'부터 그 이후까지…한 번에 찍었다

10조분의 1초에 벌어지는 순간적인 변화부터 이후 충격파가 퍼지고 물질이 흩어지는 모습까지 한 번의 촬영으로 포착하는 초고속 촬영 기술이 개발됐다. 촬영 초반에는 촘촘하게, 시간이 흐를수록 간격을 넓히는 방식으로 기존 고속카메라의 촬영시간과 속도 사이 한계를 넘어섰다. 씨넷재팬에 따르면 도쿄대학교 대학원 공학계연구과 시마다 게이타로 당시 특임연구원과 나카가와 게이이치 부교수 연구팀은 현상의 변화 속도에 따라 촬영 간격을 조절하는 '대수적 초고속 촬영법(Logarithmic ultrafast photography)'을 개발했다. 연구 결과는 국제학술지 '옵티카(Optica)'에 지난달 25일 게재됐다. 기존 고속카메라는 촬영 속도와 기록시간 사이에 한계가 있다. 프레임 사이의 간격을 좁히면 찰나의 변화를 자세히 볼 수 있지만 전체 기록시간이 짧아지고, 반대로 간격을 넓히면 오랫동안 기록하는 대신 순간적인 변화를 놓치게 된다. 연구진은 한정된 프레임을 같은 간격으로 배치할 필요가 없다는 데 착안했다. 변화가 가장 빠른 초기에는 촬영 간격을 좁히고 이후 현상이 느려질수록 간격을 점차 넓혔다. 씨넷재팬은 이를 하나의 초고속 영상 안에서 시간의 '확대율'을 바꾸는 방식이라고 설명했다. 이를 구현하기 위해 연구진은 'BRIDGE(Band-resolved individual delay generation)'라는 광학 기술을 개발했다. 빛을 파장별로 나눈 뒤 각각 지나가는 경로의 길이를 달리해 피사체에 도달하는 시간을 조절하고, 서로 다른 시점의 영상을 한 번에 기록하는 방식이다. 촬영 간격은 약 100펨토초부터 10나노초까지 조절할 수 있다. 100펨토초는 10조분의 1초, 10나노초는 1억분의 1초다. 하나의 촬영에서 약 10만배, 5자릿수에 걸친 시간 영역을 연결한 셈이다. 연구팀은 단 11장의 이미지로 이 시간대에서 연속적으로 일어나는 현상을 포착했다. 실험에서는 유리와 뼈, 치아의 주성분인 하이드록시아파타이트에 펨토초 레이저를 조사했다. 레이저가 닿은 직후 발생하는 플라스마부터 뒤이어 나타나는 충격파와 물질 비산까지 별도의 실험으로 나누지 않고 한 차례 레이저 조사에서 얻은 11장의 영상에 담았다. 시간이 흐르면서 두 물질의 확산 형태가 달라지는 모습도 확인했다. 물속에서 플라스마가 만들어지고 충격파로 이어지는 과정도 같은 방식으로 촬영했다. 매번 똑같이 재현하기 어려운 현상을 한 차례 실험으로 처음부터 끝까지 관찰할 수 있다는 것이 이 기술의 장점이다. 도쿄대 연구팀은 “제한된 촬영 프레임을 현상의 속도에 맞춰 배치해 서로 다른 시간 규모의 변화를 한 번의 촬영으로 연결한다”고 설명했다. 특히 재료마다 특성이 다르거나 우연성이 커 같은 현상을 반복하기 어려운 실험에서 활용도가 높을 것으로 내다봤다. 향후에는 레이저 가공과 소재의 구조 변화뿐 아니라 생체의 역학적 반응, 플라스마와 충격파, 고에너지 밀도 현상 등 짧은 시간 동안 서로 다른 속도의 변화가 연이어 발생하는 분야에 활용될 전망이다.