액티브·패시브 통합 적외선카메라 개발

타입Ⅱ 초격자(超格子) 기술 기반 … 수색구조에 투입
고성능 적외선카메라는 나이트비전 고글·탐색·구조 작업과 같은 군사 및 민간 적용사례에서 중요한 역할을 차지한다. 적외선 카메라는 주로 두 타입 중 하나로 나뉘는데, 액티브 카메라와 패시브 카메라가 그것이다. 액티브 카메라는 현장을 조명하기 위해 눈에 보이지 않는 적외선을 사용한다. 보통 NIR 혹은 SIR(near·short wavelength) 범위 적외선을 쓴다. 반면 패시브 카메라는 피사체가 갖고 있는 열 복사선을 아무런 조명 없이도 감지하며 MIR 혹은 LIR(mid·long wavelength) 범위의 적외선을 쓴다. 두 카메라 모두 장단점을 가지고 있다.
자료제공 | Northwestern University McCormick School of Engineering

연구팀은 한 카메라에 두 이미지 모드를 통합하는 작업을 계속해왔다. 서로의 단점을 보완할 수 있는 유일한 방법이기 때문이다. 하지만 이런 시도는 실패를 거듭했다. 지금까지 액티브 및 패시브 적외선카메라를 통합하는 ‘듀얼 모드’ 카메라를 만들고자 하는 움직임은 많았지만, 이 카메라는 서로 다른 파장을 수용해야 하는 특성 때문에 각기 다른 적외선 감지기나 복잡한 제어 필터 중 하나를 필요로 했다. 또한 두 가지 수용 방식 모두에서 추출한 이미지를 재구성하기 위해서는 추가적인 처리 신호가 필요했다. 따라서 두 기술을 혼합하는 것은 과학자들의 난제였다.

하지만 과학자들이 숙원을 풀 수 있는  길이 열렸다. 노스웨스턴대학교의 양자 디바이스 센터에서 근무하는 연구원들이 두 가지 타입의 적외선 이미징 기술을 한 개의 칩에 통합할 수 있는 방법을 발견한 것. 이 방법에 의하면, 전력 손실을 최소화하면서도 쉽고 간편하게 액티브 및 패시브 타입의 듀얼 모드 카메라를 만들 수 있다.

어떤 기술인가
연구원은 조사 결과에 대한 논문 ‘Short-Wave 및 Mid-Wave 타입Ⅱ 초격자(超格子) 기술을 기반으로 액티브·패시브의 이중 대역을 탐지하는 적외선 이미지 프로그램’을 Optics Letters 학술지에 실었다. 이 작업은 노스웨스턴대학교 맥코믹 엔지니어링 및 응용과학 학교의 전기공학·컴퓨터과학 교수인 마니제 라제기(Manijeh Razeghi)와 월터 P. 머피(Walter P. Murphy)가 지도했다.

연구원들은 새로운 양자 특성을 가진 반도체 물질을 이용해 타입Ⅱ 초격자를 만듦으로써 작업에 성공했다. 여기서 초격자로 구성하는 물질은 바로 비화인듐 및 안티몬화 갈륨(InAs·GaSb)이다. 연구팀은 타입Ⅱ 초격자 분야를 개척한 끝에 기존의 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe) 적외선카메라 기술을 교체하는 데 성공했다. 이로 인해 성능과 비용, 모든 면에서 나은 성과를 보였다.

연구팀은 또한 타입Ⅱ 초격자가 가진 띠구조(band-structure) 엔지니어링 기능을 활용해 서로 다른 층 간격을 유지하고 있는 두 초격자라는 새로운 구조도 개발했다. 설명에 따르면 이 장치는 2.2μm(액티브 모드)와 4.5μm(패시브 모드)의 차단 파장을 동시에 탐지할 수 있다. 뿐만 아니라 간단한 조작만으로도 액티브 모드와 패시브 모드 사이를 자유롭게 오갈 수 있다.