2022년 2월 개전한 이후 4년 가까이 유지되고 있는 우크라이나 전쟁에서 드론의 활약이 두드러지고 있다. 드론은 전통적인 정찰 임무 뿐 아니라 미사일 공격, 자폭, 지뢰 매설 등에도 동원되며 유용성을 입증하고 있다.

드론이 대규모 폭발이나 화재 현장에 접근하려면 영상 센서가 고온에 견뎌야 한다. 하지만 대부분의 감시장비용 중적외선 영상센서는 상온에서 정상적으로 작동하지 않는다.

기존에 드론을 투입하기 어려운 전장에 대응하기 위한 센서의 개발이 필요한 상황에서 '상온에서 동작하는 감시장비용 중적외선 영상센서 개발' 관련 논문을 소개하고자 한다.

◇ 한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단의 임무 소개

한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단은 2010년 설립됐다. 국방 연구개발 제도개선, 국방 연구개발 과제화/연구지원, 군에 과학기술 지원 등의 임무를 수행하고 있다.

더불어 안보⸱재난안전기술단 소속 미래국방국가기술전략센터는 2022년 만들어졌다. '국방과학기술 혁신을 위한 국가 연구개발 투자전략 싱크탱크'로 비전을 설정했다.

주요 임무는 △과학기술정보통신부의 국방 연구개발(R&D) 투자정책 수립 지원 △국방적용 가능 민간R&D 역량 발굴-과제기획 △국방R&D 민관군 협력기반 마련 등이다.

이번에 소개할 기술은 차세대반도체연구소광전소재연구센터 최원준 책임연구원(wjchoi@kist.re.kr)이 수행한 '감시장비용 비냉각형 적외선 영상센서 기술'이다.

◇ 연구 목표... 상온에서 동작하는 감시장비용 중적외선 영상센서 개발

고온(~100℃)에서도 원적외선 대역 (8~14㎛) 검출이 가능한 서미스터(thermistor) 성장기술을 확보하고 이를 이용해 100도(℃에)서 열전냉각기 없이 동작하는 감시/정찰 장비용 원적외선 열상센서를 개발하고자 한다.

동작온도는 100℃, 어레이(Array)는 640x480 (13㎛ 피치), 온도민감도(NETD)는 100mK, 동작속도는 초당 30 프레임 등으로 설정했다. 냉각소자 없이 주변온도 100℃에서 동작 가능한 감시용 열상카메라 센서기술을 소개한다.

◇ 열상카메라는 주위의 온도 증가에 따라 열상의 획득이 어려워지는 단점이 있어 고온 환경에서 작동 애로

철책선 감시, 드론을 이용한 감시/정찰 등의 사용되는 볼로메터 기반의 열상카메라는 주위의 온도 증가에 따라 열상의 획득이 어려워지는 단점이 있어 고온의 환경에서 작동하기에 애로가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 열상센서의 온도를 일정하게 유지해 주는 열전냉각기가 사용되다. 하지만 운용 전력에 한계가 있는 드론이나 개인 휴대용 장비로 채용되는 경우 장시간 사용에 제한되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 고온에서도 열전냉각기 없이 동작하는 볼로메터 기반의 열상센서 제작 기술이 필요하다고 판단했다.

◇ 100℃에서도 열저항 특성이 1%/K을 갖는 서미스터 개발...  100℃에서 동작하는 마이크로 볼로메터 개발

스퍼터 방법을 이용해 100℃에서도 열저항 특성이 1%/K을 갖는 서미스터(thermistor)를 개발하고 이를 이용해 100℃에서 동작하는 마이크로 볼로메터를 개발했다.

현재 연구 결과를 바탕으로 추후 125℃ 이상의 온도에서 동작하는 볼로메터를 개발하는 목표를 갖고 있다.

▲ 마이크로 볼로메터 어레이 및 제작된 볼로메터 이미지 [출처=한국과학기술연구원]

▲ 제작된 볼로메터의 detectivity [출처=한국과학기술연구원]
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