한국기계연구원, 비냉각 적외선 카메라 이미지 센서에 메타 표면 흡수체 적용

센서 반응 속도 향상과 열 질량 감소에 성공

기계연의 정주연 박사 연구팀은 비냉각 적외선 이미지 센서의 반응 속도 향상을 위해 흡수체의 열 질량을 획기적으로 줄이는 기술을 개발하는 데 주력했고, 마침내 개발에 성공했다.

기술 개발 성공으로 연구팀은 비냉각 적외선 카메라 이미지 센서에 메타 표면 흡수체를 적용할 수 있었는데, 이는 센서의 반응 속도가 3배 이상 증가하는 데 기여했다.

여기서 흡수체는 적외선 에너지를 받아 이미지 센서에 전달하는 역할을 하는 것인데, 이 때 흡수체가 열을 받아들이는 정도가 곧 ‘열 질량’이다. 일반적으로 열 질량을 줄이기 위해 흡수체를 얇게 만들면, 흡수체의 기능이 원활히 이뤄지지 않는 현상이 나타난다. 이 때문에 흡수체에 구멍을 뚫어 열 질량을 줄이는데, 흡수 면적이 줄면 적외선 흡수율이 감소하게 되어 센서의 성능이 저하되는 문제가 발생한다. 이 같은 어려움으로 인해 흡수체의 열 질량을 줄이는 동시에 센서의 성능도 높일 수 있는 기술이 요구되어 왔다.

이에 기계연의 연구팀은 흡수체 표면에 적외선 센서가 주로 흡수하는 적외선 파장 대역인 7㎛ 이하의 반복적인 구멍으로 이뤄진 메타 표면을 만들었다. 메타 표면은 전자기파의 파장보다 작은 반복적인 패턴으로 구성된 박막으로, 표면이 전자기파보다 작을 시 나타나는 특별한 성질을 활용한다. 결과적으로 이번 연구에서 연구팀은 적외선 파장대역보다 작은 패턴으로 표면을 만들어 기존의 적외선 흡수율을 유지하는 동시에 열 질량을 줄이는 데 성공했다.

다리 구조 부착

연구팀은 비냉각형 적외선 이미지 센서를 더 정확하게 제작하기 위해 흡수체에 식탁과 흡사한 다리 구조를 부착했다. 이 같은 조치는 흡수체가 기판에 붙어 있을 때 흡수된 적외선 에너지가 열로 변한 후 이동함으로써 일어날 수 있는 측정상의 어려움을 미연에 방지한다.

다양한 분야에서 각광받는 센서 기술

센서 기술은 국내에서 디스플레이 산업의 한 축을 이루고 있는 요소로, 반도체부터 자동차/전력 설비/의료에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이와 같은 센서 기술은 국가 기간산업의 핵심 시장으로서 지속적인 성장 추세를 보일 것으로 예상된다. 2013년 프랑스의 시장조사 전문기관인 ‘욜’은 세계 적외선 센서 시장이 매년 평균 약 16%씩 성장하고 있다고 했는데, 그 중에서도 비냉각 적외선 센서 시장은 2010년 186억 달러 규모에서 2020년 1974억 달러까지 커져 연평균 26.7%의 성장률을 기록할 것으로 전망되고 있다.

이와 관련해 기계연의 박찬홍 원장은 “센서 기술은 제4차 산업혁명 시대의 키워드로 꼽히는 IoT 기술 발전의 핵심 요소다”면서 “기계연의 이번 연구는 현재 기초 연구 수준에 있는 메타 물질 연구를 실생활에 밀접한 기술로 발전시킴으로써 실용화에 기여했다는 점에서 의미가 크다”라고 말했다.

자료 제공 : 한국기계연구원