[광학] 고속 촬영과 초고속 카메라의 발전

 

 고속 촬영과 초고속 카메라는 인간의 눈으로는 관찰할 수 없는 세밀하고, 빠르게 움직이는 물체나 현상을 순간적으로 포착하기 위한 오늘날에 많이 사용되고 있는 중요한 도구이다. 이러한 카메라는 과학, 기술, 예술 등의 다양한 분야에 혁신을 이끌어왔으며, 광학과 전자 기술의 발달에 따라 획기적인 발전을 이루어왔다. 먼저 고속 촬영은 일반적으로 초당 수천에서 수백만 개의 프레임을 기록할 수 있는 광학 장치, 카메라로 짧은 시간 동안 매우 많은 프레임, 즉 이미지를 포착하여 움직임을 정밀하게 분석할 수 있다. 이러한 분석이 가능한 것은 두 가지의 요소가 충족되기 때문인데, 먼저 빠른 '셔터 속도'는 이미지가 흐릿하게 보이는 현상을 줄이게 하고, 순간적인 움직임이나 현상들을 선명하게 포착할 수 있도록 한다.

또한 고속 촬영은 일반 카메라보다 매우 짧은 시간 동안에 빛을 받아들이기 때문에, 더 많은 조명이나 고감도 센서가 필요한데, 즉 '빛의 양'이 충분한 조건 및 환경이 필요하다는 것이다. 이러한 고속 촬영 기술의 발전이 있기까지 다양한 실험이 진행되어 왔는데, 먼저 고속 촬영의 초기 역사는 19세기 후반으로 거슬러 올라가야 한다. 영국의 사진작가였던 에드워드 마이브리지는 1878년 말들이 달리는 모습을 연속적으로 촬영하여 말의 움직임을 분석했다고 알려져 있고, 유명하다. 그는 여러 대의 카메라를 사용하여 일렬로 배치한 후 말을 촬영하였고, 한 프레임마다 각기 다른 순간의 이미지를 포착하였다. 이러한 실험은 고속 촬영의 기반이 되었고 이후에는 동물이나 인간의 움직임을 연구하는 데 큰 영향을 미치기도 했다. 1930년대 미국의 과학자였던 해럴드 에버턴은 스트로보스코픽 플래시(stroboscopic flash)를 개발해 냈고, 이 개발은 고속 촬영을 한 단계 더 발전시키는 계기가 되었다. 이 플래시는 짧은 시간 동안에 매우 강한 빛을 발산할 수 있게 하여 빠르게 움직이는 물체를 선명하게 포착할 수 있도록 하였다. 에버턴의 연구는 폭발이나 총알의 궤적 또 물방울의 파열 등의 인간의 눈으로는 쉽게 관찰할 수 없는 다양한 현상들을 대상으로 포착할 수 있게 해 주었으며, 현대의 고속 카메라 기술의 초석이 되기도 했다.

 이후 디지털카메라가 등장하게 되면서 고속 촬영 기술은 더욱 혁신적인 발전을 이루었다. CCD(Charge-Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 센서는 광자(Photon)를 전기적인 신호로 변환하여 디지털 형식의 이미지를 만들어내는 기술인데, 특히 이 중에서도 CMOS 센서는 비교적 저전력 소모와 빠른 데이터 처리가 가능하기 때문에 고속 카메라의 핵심 기술로 알려져 있다. 1990년대 이후에 초고속 카메라는 과거의 한계들을 뛰어넘어, 초당 수천에서 수백만 프레임까지 촬영할 수 있었다. 고속 프레임 속도는 물체의 운동 궤적을 더욱 자세히 분석하는 것이 가능했고, 물리적인 현상이나 충돌 테스트, 또 앞서 언급된 폭발과 같은 인간의 눈으로는 관측할 수 없는 다양한 현상이나 과정들을 세밀하게 관찰하는 것이 가능하게 해주었다. 예를 들어 초당 100만 프레임을 촬영할 수 있는 초고속 카메라는 총알이 유리를 뚫고 통과하는 순간을 완벽하게 촬영할 수 있다. 고속 촬영과 초고속 카메라의 발전에 따라 이 기술을 응용하는 분야가 많아졌다.

먼저 대표적으로 과학 연구나 실험에 이용되고 있는데, 초고속 카메라는 과학 실험에서 폭발 실험이나 충돌 테스트, 유체의 움직임 분석 등에 필수적으로 이용되고 있다. 특히 폭발 실험에서는 고속 촬영을 통해 폭발 파동이 퍼져 나가는 과정을 세밀하게 기록할 수 있어서 구조물의 안전성을 분석하고, 이에 따라 충격 완화 장치를 개발하는 데 중요한 데이터를 제공하기도 한다. 다음으로는 생물학 연구에서도 이러한 고속 촬영이 유용하게 사용되고 있다. 벌이나 새의 날갯짓을 분석하거나 초고속으로 움직이는 세포를 촬영하여 세포 내 물질 이동 관측, 또 생물의 신비로운 움직임 등을 분석하고 이해하는 데 도움을 준다. 생물학만 아니라 심장 박동이나 혈류 연구에도 고속 카메라가 사용되는 등 의료 계열에서도 질병 진단이나 치료법 개발에 중요한 정보를 얻는 수단으로 초고속 카메라가 사용되고 있다. 마지막으로 우리가 흔하게 접할 수 있는 스포츠나 엔터테인먼트 분야이다. 스포츠 중계에서 고속 촬영은 선수의 움직임에 대해 분석하거나, 혹은 심판이 결정을 내리는 과정에서 도움을 주기도 한다. 또한, 영화나 광고에서도 고속 카메라로 느리게 촬영한 장면이 독특한 시각 효과를 연출하기도 하는데, 이는 관객의 시선을 사로잡는다. 예를 들어서 액션 장면이나 물체가 부서지거나 파괴되는 장면을 슬로우 모션으로 보여주는 기술은 이러한 고속 촬영으로 인해 가능해진 것이다.

 이러한 초고속 카메라는 새로운 가능성에 관해서도 이야기가 나오고 있다. 먼저 오늘날 최근 고속 촬영 분야에서는 페로브스카이트(perovskite)라는 새로운 소재가 주목받고 있는데, 이 소재는 전하의 이동 속도가 빨라서 초고속 촬영에 적합한 소재이며 기존 CCD나 CMOS 센서에 비해서 빛을 더 감지할 수 있다는 장점이 있기 때문에 고속 촬영 카메라의 성능을 획기적으로 향상할 수 있다는 가능성이 있다. 또한 고속 촬영으로 얻어진 막대한 양의 데이터들의 빠른 처리와 분석을 위해서 인공지능 기술이 도입되고 있다. 인공지능 기술은 물체의 운동 궤적을 빠르게 추적하고, 특정 패턴을 분석하여 과학 연구와 산업 분야 등 다양한 분야에서 많은 데이터들을 효율적으로 활용하고 분석할 수 있도록 도움을 주고 있다. 마지막으로 초고속 카메라는 고속 데이터 처리와 고해상도를 요구하기 때문에 값이 비싸고 크기가 큰 장비가 대부분이다. 그러나 최근 소형화와 가격 인하가 진행됨에 따라 기존 주요 사용처였던 산업 현장이나 연구실을 넘어 일반 소비자들도 초고속 카메라를 사용할 수 있게 될 전망이며, 특히 스포츠 분석이나 동물 행동 연구 등의 다양한 분야에서 활용될 수 있을 거란 기대가 있다.

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