[투데이 窓]보이지 않는 세상 밝히는 적외선 영상센서

최근 개봉한 전쟁영화나 드라마에서는 군인들이 카메라를 켜고 어두운 곳에서 적을 탐지하는 장면이 자주 등장한다. 이때 활용하는 기술이 적외선 영상센서다. 2차 대전 이후 급속히 발전한 항공기, 미사일을 추적하기 위해 개발한 기술이지만 지금은 의료, 자동차, 보안 등 다양한 분야에서 사용하고 있다.

적외선이란 파장이 0.7㎛ 이상의 빛을 의미하는 용어로 빛이 다양한 물질로 구성된 대기를 통과할 때 흡수와 산란 등에 의해 특정한 파장 대역인 대기 투과창만을 투과해 우리의 눈이나 일반카메라로는 볼 수 없다. 적외선 영상센서 기술에선 이 대기 투과창이 중요한 역할을 한다. 중적외선 투과창(파장대역 3~5㎛)과 원적외선 투과창(8~14㎛) 등을 이용해 눈에는 보이지 않는 물체의 온도 분포를 감지하고 이를 영상화함으로써 다양한 군사, 위성, 민간 분야에서 활용하고 있다.


초기의 군사용 적외선 영상센서는 비행기·미사일 엔진의 높은 열을 감지하고 이를 추적하거나, 야간에 철책선 및 해안선 감시와 같은 정찰 분야에 이용했다. 최근엔 기술이 발전함에 따라 고속비행 중 대기 마찰열을 일으키는 비행기나 선박의 온도 증가가 일어나는 미사일을 감지하고, 이들을 추적해 파괴하는 대공미사일이나 대함미사일 등에 탑재되고 있다.

특히 적외선 영상센서는 레이다와 같이 외부 신호를 주고 반사되는 신호를 분석하는 능동형 센서가 아니라 물체에서 자가 방사되는 열 신호를 감지하는 수동형 센서이기 때문에 외부 신호를 왜곡, 교란하는 레이다 회피기술 적용이 어렵다. 이런 장점을 이용해 적외선 영상센서는 위성에 탑재돼 야간에 지상을 감시하는 군사적 용도로 사용된다. 미국, 프랑스, 영국, 러시아와 같은 군사 및 우주기술 강국들이 우월한 적외선 영상센서 기술 확보에 총력을 기울이는 이유다.

이처럼 군사 기술의 일환으로 시작된 적외선 영상센서 기술은 지금은 일상생활에서도 광범위하게 쓰인다. △야간용 CCTV를 비롯해 건물의 외벽 온도 분포 분석을 통한 에너지 효율화 △인체의 온도 분포 영상화를 통한 진단 및 감염병 예방 △수확 농산물의 상태 분석 등을 예로 들 수 있다. 이와 더불어 위성에 탑재된 적외선 영상센서는 지구의 광물 탐사, 해수면 온도 분포 분석, 작황 예측 등에 활용하고 있다. 이처럼 적외선 영상센서는 우리 생활과 환경, 그리고 의료와 농업 분야에서 중요한 역할을 하며 그 활용 범위가 계속 넓어지고 있다.

적외선 영상센서가 최근 더 주목을 받는 이유는 자율주행 자동차의 야간 운행 보조를 위한 야간 시야 센서에 활용할 수 있기 때문이다. 자율주행 자동차는 다양한 센서의 도움을 받아 원활한 운행을 이어 나간다. 야간이나 강우, 안개와 같은 시야가 제한된 상황에서도 전방의 물체나 보행자를 정확히 감지할 수 있는 센서는 그 중요성이 더욱 커진다.


사람의 온도인 36℃에서 방사되는 파장은 9.7㎛로 원적외선에 해당하는데, 이러한 긴 파장의 특성 덕분에 강우나 안개 상황에서의 산란이 적어 원적외선 영상센서는 이러한 환경에서도 뛰어난 성능을 발휘한다. 따라서 적외선 영상센서와 열상센서는 자율주행 자동차의 핵심 센서로 자리잡고 있다. 현재 전세계 민간 열상센서 시장의 약 65%를 점유하고 있는 미국의 플리어(FLIR)는 자율주행차용 센서의 채택을 위해 다양한 주행시험을 진행 중이다.

한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소도 적외선 영상센서의 중요성을 인지해 화합물 반도체 기반 적외선 영상센서 기술과 마이크로 볼로미터를 개발하고 있고, 최고 수준의 기술을 확보했다. 마이크로 블로미터는 열효과형 광검출기의 일종이다. 빛 흡수로 인한 온도 상승으로 센서의 전기저항이 변하는 것을 이용해 빛을 검지한다.

매우 먼 거리를 탐색해야 하는 군사용 적외선 영상센서는 높은 검지율이 필요하며, 이를 위해서는 잡음이 극도로 제한되는 낮은 온도에서 작동하는 화합물 반도체 기반의 소재와 소자 기술을 적용해야 한다. 마이크로 볼로미터의 경우 낮은 검지율을 갖지만 실리콘(Si) 반도체 공정 기술을 이용해 대량생산이 가능하기에 가성비를 중요시하는 민수용 센서로 사용된다. 다양한 화학 및 바이오 물질은 고유한 적외선 지표 파장을 지녀 새로운 현상을 발견하고 이를 응용해 신시장을 개척하는 데 사용할 수 있다. 보이지 않는 것을 보게 하는 적외선 영상센서 기술의 발전이 선행된다면 다양한 화학 및 바이오 물질을 이용한 새로운 발견에 큰 도움이 될 것이다.

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