▲한국기계연구원 나노융합기계연구본부 나노공정연구실 정주연 선임연구원이 메타 구조를 이용하여 제작한 적외선 이미지센서를 살펴보고 있다

시각화 기술이 발전하면서 눈에 보이는 가시광선뿐 아니라 우리 눈에 보이지 않는 적외선 영역을 가시화할 수 있는 기술도 발전하고 있다. 한국기계연구원(이하 기계연, 원장 박천홍)이 비냉각 적외선 카메라 이미지센서에 메타표면 흡수체를 적용해 센서의 반응 속도를 3배 이상 향상시키는데 성공했다.

적외선센서는 대상의 온도를 감지하는 기술로 어두운 곳에 사람이 서 있어도 가려낼 수 있다. 특히 드론이나 자동차 등 빠르게 움직이는 이동체에서 영상을 잔상 없이 포착하기 위한 기술의 필요성이 대두되고 있지만, 아직 만족스러운 기술이 나오지 않는 실정이다. 크게 냉각형과 비냉각형으로 나뉘며 냉각형은 주로 군사용으로, 일반적인 센서에는 비교적 가격이 저렴하고 크기가 작은 비냉각형이 쓰인다.

기계연 나노공정연구실 정주연 박사 연구팀은 비냉각 적외선 이미지센서의 반응속도를 높이기 위해 흡수체의 열 질량(thermal mass)을 획기적으로 줄이는 기술을 개발했다.

흡수체는 적외선 에너지를 받아 이미지센서에 전달하는 역할을 하는데 이때 흡수체가 열을 받아들이는 정도를 열 질량이라고 한다. 200cc컵과 100cc컵에 물을 채우는 동안 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, 흡수면적이 줄면 적외선 흡수율이 감소해 센서의 성능이 저하된다. 이 같은 어려움 때문에 흡수체의 열 질량을 줄이면서도 센서의 성능을 높이는 기술이 요구되어 왔다.

연구팀은 흡수체 표면에 적외선센서가 주로 흡수하는 적외선의 파장 대역 인 7㎛(마이크로미터) 이하의 작은 반복적인 구멍으로 메타표면을 만들었다. 메타표면은 전자기파의 파장보다 작은 반복적인 패턴으로 구성된 박막으로 표면이 전자기파 보다 작을 때 나타나는 특별한 성질을 이용할 수 있다. 이번 연구에서는 적외선 파장대역 보다 작은 패턴으로 표면을 만들어 기존의 적외선 흡수율은 잃지 않고 열 질량은 줄이는 데 성공했다.

또한, 연구팀은비냉각형 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.

센서 기술은 국내에서 디스플레이 산업의 한 축을 이루는 분야로 반도체부터 자동차, 전력설비, 의료까지 다양한 분야에 활용되고 있다. 국가 기간산업의 핵심 시장으로 지속적인 성장이 예상되는 분야다. 2013년 프랑스의 시장조사 전문기관 ‘욜(Yole Developement report)’에 따르면 적외선센서의 세계 시장은 매년 평균 약 16%씩 성장하고 있다. 특히 비냉각 적외선센서 시장은 2010년 185억 달러 규모에서 2020년 1974억 달러까지 연평균 26.7%씩 성장할 것으로 전망되고 있다.

기계연 박천홍 원장은 “센서 기술은 제4차 산업혁명 시대의 키워드로 꼽히는 IoT 기술 발전의 핵심 요소”라며 “현재 기초연구 수준에 머물러 있는 메타물질 연구를 국민 생활에 밀접한 기술로 발전시켜 실용화에 기여했다는 점에서 더욱 의미가 크다”고 말했다.