과거나 현재 모두 군대의 전투는 주간과 야간을 가리지 않고 벌어진다. 해가 떠 있는 주간보다는 야간이 공격에 유리하므로 중요한 작전은 밤에 벌어진다.

야간은 밝은 조명을 설치하지 않는한 어둡기 때문에 적의 침입을 파악하기 어렵다. 철조망과 같은 장애물을 설치해도 적의 침투를 완벽하게 막기란 불가능에 가깝다.

중요한 시설이나 부대를 보호하기 위해 배치된 경계병의 입장에서 야간에도 적의 이동을 파악할 수 있는 야간 투시경이 꼭 필요하다.

야간 투시경은 야간이나 어두운 공간에서 물체를 파악할 수 있는 기구다. 과거에는 주로 대테러 작전에 투입하는 특수전 병사에게만 보급했지만 현재에는 전장에 투입된 일반 병사까지 활용할 정도로 보편화됐다.  ◇ 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 차세대반도체연구소 광전소재연구센터 이명재 책임연구원(mj.lee@kist.re.kr)이 수행한 '감시장비용 Night Vision을 위한 최적의 CMOS SPAD 센서'다.

◇ 연구 목표... 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD) 기반의 나이트비전 개발 

나이트비전(Night Vision)은 미세한 빛을 증폭시켜 어두운 밤이나 터널, 동굴과 같은 어두운 장소에서도 물체를 식별할 수 있도록 해주는 장치로서 차세대 전투 체계의 핵심 장비다.

이번 연구는 저비용 생산, 소형화/경량화 등에 큰 강점을 가진 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS, Complementary Metal–Oxide Semiconductor) 공정을 이용해 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD, Single-Photon Avalanche Diode) 기반의 나이트비전을 개발하려고 한다.

◇ 연구 배경 및 필요성... 매우 높은 전압, 큰 부피 및 부담스러운 무게 및 높은 가격으로 활용·보급 제한

현재의 영상증폭기(Image Intensifier) 기반 나이트비전 기술은 매우 높은 전압, 큰 부피 및 부담스러운 무게를 비롯해 US$ 2000달러 이상의 매우 높은 가격으로 활용 및 보급에 제한이 있다.

표준 CMOS 공정을 기반으로 한 SPAD는 매우 큰 증폭 특성을 제공하는 반도체 기반 센서로서 기존 영상증폭기의 문제/한계를 해결할 수 있는 차세대 나이트비전을 위한 핵심 기술이다.

또한 CMOS SPAD의 경우 다양한 회로와 단일칩으로 집적화가 가능하기 때문에 디지털 나이트비전(Digital Night Vision) 및 액티브 라이트비전(Active Night Vision) 등과 같은 여러 차세대 나이트비전으로의 확장성이 매우 우수하다.

◇ 연구 내용 및 결과... 다양한 공정에서 우수한 성능의 CMOS SPAD 성공적으로 개발

180nm~28nm와 같은 다양한 노드(node) 및 CMOS, BCD, CIS 등 다양한 공정에서 우수한 성능의 CMOS SPAD들을 성공적으로 개발했다.

▲ 기존 방식(Image Intensifier)과 제안 방식(CMOS SPAD)의 특성 비교 [출처=한국과학기술연구원]
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