휴대폰 및 자율주행 자동차용 열영상센서 분야 적극 활용 기대
[기계신문] 인체나 물체의 온도를 검지하여 영상화하는 열영상센서는 최근 코로나19로 인해 수많은 건물의 출입구에서 비접촉식으로 얼굴의 온도를 체크하는 열영상 온도계로 이용되고 있다.
이러한 상황에서 스마트폰 업계에서는 열영상센서를 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.
한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 최원준 박사팀이 전자재료연구단 백승협 박사팀, 성균관대학교 백정민 교수 연구팀과의 융합연구를 통해 기존의 가격과 작동온도 문제를 극복한 열영상센서 소자를 개발했다.
개발한 열영상센서는 100 ℃에서도 냉각소자 없이 동작할 수 있어 기존 센서의 가격 문제를 극복하고, 스마트폰과 자율주행 자동차에 적용할 수 있을 것으로 보인다.
열영상센서는 야간에 적군의 침입 감시 및 군사 장비의 이동감시 등 군사용으로 개발돼 사용되어 오다가, 최근 코로나19에 의한 열영상 온도계, 산불감시, 출하 시기 조정을 위한 과수의 익음 정도 파악, 주택의 열 누출 파악, 용광로의 열 분포 파악, 자율주행차의 야간운행 등 민수용 응용을 위해 적극 연구 활용되고 있다.
최고의 성능을 요구하는 군사용과는 다르게, 민수용 열영상센서는 가격 대비 성능의 향상을 위해 저가화를 요구하고 있다. 특히 민수용으로 가장 큰 시장을 형성할 휴대폰용 열영상센서 및 자율주행차용 야시센서로의 채용은 저가화 기술이 매우 중요한 척도로 여겨진다.
대부분의 열영상센서는 온도에 따라 저항이 변화되는 저항체인 써미스터를 사용하는 볼로메터를 기반으로 제작된다. 이때 써미스터 저항체의 민감도 및 최대 동작 온도가 열영상센서의 특성을 결정하는 중요 요소이다.
기존의 열영상센서에 이용되는 써미스터 저항체는 자체의 온도가 증가할수록 저항값이 작아지고, 저항의 변화가 줄어들어 잡음이 심해져 신호의 구분이 어려워지는 단점이 있어, 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 가격 때문에 저가화에 결정적인 걸림돌이었다.
KIST-성균관대학교 공동 연구진은 열영상센서 원가의 10 % 이상을 차지하고, 전력소모가 큰 냉각소자를 없애기 위해 100 ℃ 이상에서도 안정적인 이산화바나듐(VO2)-B 박막을 이용하여 열에서 발생하는 적외선을 감지하여 전기신호로 바꾸는 소자를 제작했다.
제작된 소자는 100 ℃에서도 상온에서와 동일한 수준으로 적외선 신호를 얻을 수 있었다. 또한, 외부의 원적외선을 최대한 흡수할 수 있는 흡수체를 제작해 함께 사용한 결과 물체의 열을 3배 더 민감하게 감지하여 전기신호로 변환할 수 있었다.
특히 응답속도는 기존 초당 30~40 프레임 수준을 뛰어넘어 100 프레임의 화상 촬영이 가능하여 자율주행 자동차 부품으로 사용할 수 있을 것으로 보인다.
KIST 최원준 박사는 “융합연구를 통해 개발한 소자 기술로 열영상센서의 제작가격을 획기적으로 낮출 원천기술을 확보했을 뿐만 아니라 기존 소자보다 민감도 및 동작 속도가 우수하다”면서 “앞으로 열영상을 이용하는 군수용 산업 및 향후 전개될 열영상센서의 스마트폰 및 자율주행 자동차용 센서로의 활용이 가속화될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받은 KIST 주요사업과 KIST-UNIST-울산시가 공동으로 지원하는 융합신소재연구센터사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 박막 분야 국제저널인 ‘Applied Surface Science’ 최신 호에 게재되었다.
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