연구팀은 흡수체(보라색)에 적외선센서가 주로 흡수하는 파장보다 작게 구멍을 뚫었다. 이렇게 제작된 흡수체는 적외선을 기존 같이 흡수하면서 구멍이 뚫려 없어진 부분만큼 부피가 줄어 열 질량이 줄어들게 된다./사진제공=한국기계연구원적외선센서는 대상의 온도를 감지하는 기술로 어두운 곳에 사람이 서 있어도 가려내는 것이 특징이다. 드론이나 자동차 등 빠르게 움직이는 이동체에서 영상을 잔상 없이 포착하기 위해 적외선 센서 기술의 필요성이 높아지고 있다.
국내 연구진이 비냉각 적외선 카메라 이미지 센서의 반응 속도를 3배 이상 향상 시키는데 성공했다.
한국기계연구원은 나노공정연구실 정주연 박사 연구팀이 비냉각 적외선 이미지센서의 반응속도를 높이기 위해 흡수체의 열 질량을 획기적으로 줄이는 기술을 개발했다고 28일 발표했다.
흡수체는 적외선 에너지를 받아 이미지센서에 전달하는 역할을 하는데 이때 흡수체가 열을 받아들이는 정도를 열 질량이라고 한다. 200㏄컵과 100㏄컵에 물을 채우는 데 걸리는 시간이 다르듯이 흡수체도 열 질량에 따라 적외선 에너지(열)를 받아서 열 질량을 채운 다음 센서에 신호를 보내기까지 걸리는 시간이 달라진다. 열 질량을 줄이기 위해 흡수체를 얇게만 만들면 흡수체의 기능을 제대로 하지 못한다. 흡수체에 구멍을 뚫어 열 질량을 줄일 수 있지만, 흡수 면적이 줄면 적외선 흡수율이 감소해 센서의 성능이 저하된다.
연구팀은 흡수체 표면에 적외선센서가 주로 흡수하는 적외선의 파장 대역 인 7㎛ 이하의 작은 반복적인 구멍으로 메타표면을 만들었다. 이렇게 제작된 흡수체는 적외선을 기존 같이 흡수하면서 구멍이 뚫려 없어진 부분만큼 부피가 줄어 열 질량이 줄어들게 된다 .
또한, 연구팀은 비냉각형 적외선 이미지센서를 더 정확하게 만들기 위해 흡수체에 식탁처럼 다리 구조를 붙여 기판에서 뜨도록 설계했다. 흡수체가 기판에 붙어 있으면 흡수된 적외선 에너지가 바로 열로 변해 이동하고 측정이 어려워지기 때문이다.
박천홍 기계연 원장은 “센서 기술은 제4차 산업혁명 시대의 키워드로 꼽힌다”면서 “비냉각 적외선센서 시장은 2010년 185억 달러 규모에서 2020년 1,974억 달러까지 연평균 26.7%씩 성장할 것으로 전망될 정도”라고 말했다.
정주연 한국기계연구원 나노융합기계연구본부 나노공정연구실 선임연구원이 메타 구조를 이용하여 제작한 적외선 이미지센서를 살펴보고 있다. /사진제공=한국기계연구원
