스마트폰에 적외선 열영상 카메라 탑재된다

KIST, 100도 에서도 동작하는 비냉각방식 열영상센서 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 코로나19 대유행에 따라 하루에도 몇 번 씩 적외선 열영상카메라를 마주치는 것이 일상이 됐다. 전쟁영화 속에서나 보던 적외선 열영상이 어느새 생활 속에 깊숙히 들어온 것이다.

열영상 카메라는 인체나 물체의 열에서 발생하는 적외선을 온도변화에 따라 전기신호로 변환하여 이미지로 보여주는 장치다. 야간의 적군 침입 감시 등 군사용으로 개발돼 사용되어 오다가, 열영상 온도계, 산불감시, 농작물 작황 파악, 주택과 공장의 열 감시, 자율주행차의 야간운행 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 코로나19로 인해 대부분 건물의 출입구에서 비접촉식으로 얼굴의 온도를 체크하는 열영상 온도계로 이용되고 있다.

이에 따라 스마트폰 업계도 휴대용 온도측정기나 열영상 카메라로 사용할 수 있도록 열영상센서를 폰에 탑재하려는 노력을 하고 있다. 최근에는 스마트폰에 붙여서 사용할 수 있는 동글 형태의 열영상 카메라도 출시되고 있다.

하지만 스마트폰 내부에 열영상센서를 탑재하기 위해서는 내부의 다른 부품에 영향을 주지 않으면서 최소 85℃의 고온에서도 기능을 정상적으로 유지하는 센서의 개발이 필요하다. 업계는 특히 온도를 낮추기 위해 필요한 냉각소자가 필요없는 센서 개발을 통한 저가화를 요구하고 있다.

15일 한국과학기술연구원(KIST)은 광전소재연구단 최원준 박사팀이 전자재료연구단 백승협 박사팀, 성균관대학교 백정민 교수 연구팀과의 융합연구를 통해 기존의 가격과 작동온도 문제를 극복한 열영상센서 소자를 개발했다고 발표했다.

연구진이 개발한 볼로미터 소자의 주사전자현미경 이미지(왼쪽)과 모식도(오른쪽) [KIST 제공]

개발한 열영상센서는 100℃에서도 냉각소자 없이 동작할 수 있어 기존 센서의 가격 문제를 극복하고, 스마트폰은 물론 자율주행 자동차의 야간주행을 위한 적외선 카메라에도 적용할 수 있을 것으로 보인다.

대부분의 열영상센서는 온도에 따라 저항이 변하는 써미스터(온도센서)를 사용하는 볼로미터(저항 온도계)를 기반으로 제작된다. 이때 써미스터의 민감도 및 최대 동작 온도가 열영상센서의 특성을 결정하는 중요 요소이다. 기존의 열영상센서에 이용되는 써미스터 저항체는 자체 온도가 증가할수록 저항의 변화폭이 줄어들어 신호 구분이 어려워지지는 단점이 있다. 냉각기를 사용하지 않는 경우 최고 동작 온도가 70℃ 정도이며, 실제로는 고온에서 안정된 동작을 위해 열전소자를 이용해 냉각하는 방식을 사용하고 있다. 이러한 열전소자를 이용하는 기존의 열영상센서는 열전소자의 가격이 저가화에 결정적인 걸림돌이었다.

최원준 박사는 "스마트폰에서는 85℃, 자율주행 자동차에서는 125℃의 고온에서도 문제없이 안정적으로 동작해야만 부품으로 사용할 수 있다. 이 때문에 70℃가 넘으면 성능이 급격히 떨어지는 기존의 열영상센서는 별도의 냉각소자가 필수적이어서 가격을 낮추기 어렵다"고 설명했다.

연구팀은 열영상센서 원가의 10% 이상을 차지하고, 전력소모가 큰 냉각소자를 없애기 위해 100℃ 이상에서도 안정적인 이산화바나듐(VO2)-B 박막을 이용해 열에서 발생하는 적외선을 감지해 전기신호로 바꾸는 소자를 제작했다.

제작된 소자는 100℃에서도 상온에서와 동일한 수준으로 적외선 신호를 얻을 수 있었다. 또한 8~14마이크로미터 파장 대역의 원적외선을 최대한 흡수할 수 있는 흡수체를 제작해 민감도를 3배 더 높였다. 특히 응답속도는 기존 초당 30~40프레임 수준을 뛰어넘어 초당 100프레임 촬영이 가능해 자율주행 자동차 부품으로도 사용할 수 있을 것으로 보인다.

최원준 박사는 “열영상센서의 제작가격을 획기적으로 낮출 원천기술을 확보했을 뿐만 아니라 기존 소자보다 민감도 및 동작 속도가 우수하다”면서 "현재는 단위 소자에서 실현된 상태이며, 실제로 열영상센서를 완성하기 위해 신호획득 회로 상에 어레이를 제작해 성능을 검증하는 연구를 진행 중으로 올해 안에 가시적인 성과가 있을 것"으로 기대했다.

또한 "향후에는 냉각소자 없이 125℃에서 동작하는 볼로미터를 제작해 자율주행 자동차에까지 적용할 수 있는 저가의 열영상센서를 개발하는 것이 목표"라고 전했다.

이번 연구는 KIST-UNIST-울산시가 공동으로 지원하는 융합신소재연구센터사업으로 수행됐으며, 연구결과는 박막 분야 국제학술지인 ‘Applied Surface Science’ 최신호에 게재됐다.

◇논문명 : Wide-temperature (up to 100℃) operation of thermostable vanadium oxide based microbolometers with Ti/MgF2 infrared absorbing layer for longwavelength infrared (LWIR) detection

◇저자 : 이혜진, 왕다솜 (이상 제1저자, KIST 학생연구원), 최원준 KIST 책임연구원, 백정민 성균관대 교수(이상 교신저자)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)

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