기존 센서 대비 성능 23.6배 향상
AI로 최적 구조 찾아 적용
울산과학기술원(UNIST)이 열화상 센서 성능을 획기적으로 높일 수 있는 소재를 개발했다. 고성능 열화상 카메라, 차량용 야간 보행자 인식 센서 등을 만들 수 있는 특수 소재다.
손창희·박형렬 UNIST 물리학과 교수팀(이하 손 교수팀)은 인공지능(AI) 기술을 이용해 기존 상용 소재보다 성능이 20배 이상 뛰어난 마이크로볼로미터 센서용 박막 적층 소재를 개발했다고 25일 밝혔다.
마이크로볼로미터 센서는 사물이 방출하는 적외선(열)을 감지해 전기 신호로 바꿔준다. 센서 내 특수 소재가 적외선 열을 흡수하면 소재의 전기저항이 바뀌는 원리로 작동하기 때문이다. 이 때 작은 온도 변화에도 전기저항이 잘 바뀌는 민감한 소재를 사용하면 마이크로볼로미터 센서의 성능을 높일 수 있다.
손 교수팀은 민감도가 뛰어난 이산화바나듐을 이용해 소재를 개발했다. 이산화바나듐에 텅스텐을 첨가한 4겹 박막구조다. 각 층마다 텅스텐 함량과 두께를 다르게 설계해 이산화바나듐의 고질적 문제인 급격한 신호 변화와 이에 따라 저항값이 달라지는 이력 현상을 줄였다.
이 소재의 박막구조 두께 조합은 이론적으로 130만개가 넘는다.
손 교수팀은 '유전 알고리즘'이라는 AI 기술을 사용해 최적 두께 조합을 찾아 적용했다. 진화의 '자연 선택' 원리를 모방해 무작위로 생성된 수많은 두께 조합 가운데 성능이 좋은 것만 골라내고, 이를 서로 조합하고 수정하는 과정을 반복하며 최적의 두께 조합을 찾는 방식이다. 사람이 직접 일일이 소재 조합을 바꿔가며 찾는다면 산술적으로 750년이 필요하다.
실험 결과, 이 소재는 상온(20~45도) 구간에서 온도 민감도(TCR)가 기존 상용 소재 대비 3배 이상 높은 7.3%를 나타냈다. 민감도뿐 아니라 신호 정확성과 신뢰도까지 함께 고려해 실제 센서 성능을 평가하는 베타(β)지표는 23.6배 향상됐다.
저온 공정으로 반도체 회로(CMOS) 위에 직접 증착할 수 있어 상용화 가능성도 높다. 마이크로볼로미터는 저항 변화 신호를 읽어내는 반도체 회로 위에 증착해서 써야 하는데, 이산화바나듐을 이용한 기존 소재는 500도 이상의 고온 공정이 요구돼 회로를 손상시킬 수 있다.
손창희 교수는 “자율주행 차량의 야간 장애물 탐지나 드론을 활용한 야간·원거리 감시, 다수 인원의 체온 변화를 감지하는 대규모 바이러스 감염 모니터링 등 고성능 열 감지 기술이 필요한 분야에 폭넓게 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.
이번 연구 성과는 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 1월 28일자에 실렸다.
울산=임동식 기자 dslim@etnews.com
