한국기계연구원(원장 박천홍)은 비냉각 적외선 카메라 이미지센서에 메타표면 흡수체를 적용해 센서의 반응 속도를 3배 이상 향상시키는데 성공했다고 28일 밝혔다. 

적외선센서는 대상의 온도를 감지하는 기술로 어두운 곳에 사람이 서 있어도 가려낼 수 있다. 최근에는 드론이나 자동차 등 빠르게 움직이는 이동체에서 영상을 잔상 없이 포착하기 위한 기술의 필요성이 대두되고 있지만 아직은 만족스러운 기술이 나오지 않은 상태다. 

흡수체는 적외선 에너지를 받아 이미지센서에 전달하는 역할을 한다. 이때 흡수체가 열을 받아들이는 정도를 '열 질량'이라고 한다.

예를 들어 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 시간도 달라지는 것. 

열 질량을 줄이기 위해 흡수체를 얇게 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 요구돼 왔다.

이에 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. 

연구팀은 적외선 파장대역 보다 작은 패턴으로 표면을 만들어 기존의 적외선 흡수율은 잃지 않고 열 질량은 줄이는 데 성공했다.

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 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.