- 휴대폰 및 자율주행 자동차용 열 영상 센서 분야 적극 활용 기대

인체나 물체의 온도를 검지하여 영상화하는 열 영상 센서1)는 최근 코로나19로 인해 수많은 건물의 출입구에서 비접촉식으로 얼굴의 온도를 체크하는 열 영상 온도계로 이용되고 있다. 이러한 상황에서 스마트폰 업계에서는 열 영상 센서를 휴대용 센서로 적용하여 실시간으로 온도를 측정할 수 있는 부가 기능 만드는 것을 적극적으로 고려하고 있다. 또한, 이를 자율주행 자동차에 적용하여 활용하면 더 안전한 자율주행이 가능할 것으로 보인다.

열 영상 센서(Thermal Image Sensor): 인체나 물체의 온도에 따라 방사되는 열을 검지하여 영상화하는 센서

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 최원준 박사팀이 전자재료연구단 백승협 박사팀, 성균관대학교 백정민 교수 연구팀과의 융합연구를 통해 기존의 가격과 작동온도 문제를 극복한 열 영상 센서 소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 열 영상 센서는 100℃에서도 냉각소자 없이도 동작할 수 있어 기존 센서의 가격 문제를 극복하고, 스마트폰과 자율주행 자동차에 적용할 수 있을 것으로 보인다.

스마트폰 및 자율주행 자동차의 부품으로 사용되기 위해서는 각각 85℃ 및 125℃의 고온에서도 문제없이 안정적으로 동작해야만 한다. 이를 위해 기존의 열 영상 센서는 별도의 냉각소자가 필수적이어서 고 사양 소자의 경우 가격이 이백만 원을 넘고, 냉각소자가 있어도 85℃ 이상에서는 작동하지 못하기 때문에 이들 분야에 적용되지 못하고 있었다.

KIST-성균관대학교 공동 연구진은 열 영상 센서 원가의 10% 이상을 차지하고, 전력 소모가 큰 냉각소자를 없애기 위해 100℃ 이상에서도 안정적인 이산화바나듐(VO2)-B2) 박막을 이용하여 열에서 발생하는 적외선을 감지하여 전기신호로 바꾸는 소자를 제작했다.

이산화바나듐(VO2): 상온 및 고온에서 반도체 성질을 갖는 산화물 반도체. 결정상태에 따라 특정 온도에서 급격하게 금속을 특성을 보이기도 하나 B 상의 경우 고온까지 안정된 반도체 특성을 보여줌.

연구진이 개발한 볼로메터 소자의 주사전자현미경 이미지(왼쪽)과 모식도(오른쪽)

제작된 소자는 100℃에서도 상온에서와 동일한 수준으로 적외선 신호를 얻을 수 있었다. 또한, 외부의 원적외선을 최대한 흡수할 수 있는 흡수체를 제작해서 함께 사용한 결과 물체의 열을 3배 더 민감하게 감지하여 전기신호로 변환할 수 있었다. 특히 응답속도는 기존 초당 30~40프레임 수준을 뛰어넘어 100프레임의 화상의 촬영이 가능하여 자율주행 자동차 부품으로 사용할 수 있을 것으로 보인다.

KIST 최원준 박사는 “융합연구를 통해 개발한 소자 기술로 열 영상 센서의 제작가격을 획기적으로 낮출 원천기술을 확보했을 뿐만 아니라 기존 소자보다 민감도 및 동작 속도가 우수하다”라고 말하며, “앞으로 열 영상을 이용하는 군수용 산업 및 향후 전개될 열 영상 센서의 스마트폰 및 자율주행 자동차용 센서로의 활용이 가속화될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받은 KIST 주요사업과 KIST-UNIST-울산시가 공동으로 지원하는 융합신소재연구센터사업으로 수행되었으며, 연구결과는 박막 분야의 저널인 ‘Applied Surface Science’(JCR 분야 상위 2.38%) 최신 호에 게재되었다.

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

- (제1저자) 한국과학기술연구원 이혜진 학생연구원

- (제1저자) 한국과학기술연구원 왕다솜 학생연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 최원준 책임연구원

- (교신저자) 성균관대학교 백정민 교수

[ 연구진 이력 사항 ]

백승협 박사(공저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 차세대반도체연구소 전자재료연구단 책임연구원 ○ 전화: 02-958-5382 ○ e-mail: shbaek77@kist.re.kr
최원준 박사(교신저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 차세대반도체연구소 광전소재연구단 책임연구원 ○ 전화: 02-958-5783 ○ e-mail : wjchoi@kist.re.kr
백정민 교수(교신저자)	○ 소속: 성균관대학교 신소재공학부 (교수) ○ 전화: 031-290-7409 ○ e-mail: jbaik97@skku.edu

문의: 광전소재연구단 최원준 책임연구원(T.02-958-5783, 010-8959-0673)