카메라 기술은 날로 발전하고 있습니다. 스마트폰 카메라의 화소는 1억~2억을 훌쩍 뛰어넘었습니다. 이제는 디지털 카메라를 새로 구입하지 않아도 되는 세상이 됐습니다. 이제 카메라 기술은 ‘빛’ 이후의 것을 보고 있습니다.

최근 ‘양자점’을 이용해 픽셀 없이 적외선을 감지하는 기술이 개발됐다는 논문이 한편 발표 됐습니다. 내용은 상당히 어려운데 결과물은 상당히 신기합니다. 관련 논문에 대해 조금이라도 쉽게 설명해 보도록 하겠습니다.

업컨버전,광증폭,양자점...

왼쪽부터 오승주 고려대 교수,양희선 홍익대 교수,쯔아 응 UCSD 교수,오성근 고려대 박사과정 오승주 고려대 신소재공학부 교수와 양희선 홍익대 교수,UCSD의 쯔아 응 교수로 구성된 한·미 공동 연구진은 양자점 기반의 적외선 ‘업컨버전’ 이미징 기술에 ‘광증폭’ 메커니즘을 도입한 센서를 개발했다고 밝혔습니다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 최신 호에 게재됐습니다.

일단 어려운 말 잔뜩이지만 연구 성과를 간단히 정리하면 픽셀이 필요 없으면서 적외선을 이용해 이미지를 만드는 카메라를 개발했다는 내용입니다. 빛이 적은 어두운 공간에서도 선명한 사진 촬영이 가능할 뿐 아니라 별다른 행위 없이 핏줄을 촬영하는 것도 가능한 시대가 올 것 같아요. 내용을 조금 더 풀어보겠습니다.

양자점부터 설명해보겠습니다. 양자점에서 ‘점’은 말 그대로 ‘점’입니다. 눈에 보이지도 않는 작은 점을 뜻하는데요,그냥 점이 아니라 나노미터(nm·1nm는 10억분의 1m) 크기로 합성한 작은 반도체 점을 뜻합니다. 크기가 작은 양자 세계로 들어가면 우리 눈앞에서 펼쳐지는 물리학과는 전혀 다른 현상이 펼쳐집니다. 순간 이동을 하기도 하고,벽을 뚫기도 하고요. 양자점도 마찬가지입니다. 작은 반도체이다 보니 독특한 광학적,전기적 특성을 나타냅니다.

기존 기술 한계 극복… 상용화만 된다면

다음은 업컨버전 이미징 기술입니다. 이는 별도의 복잡한 픽셀 공정 없이 이미지 센서를 구현하는 연구 방법입니다. 말이 어렵지만 쉽게 표현하면 적외선을 감지한 뒤 이를 사람이 볼 수 있는 ‘가시광선’으로 바꿔 이미지를 만들어주는 기술로 보시면 됩니다. 적외선을 가시광선을 바꾸는 방법,상당히 복잡하고 여러가지 방법이 있습니다. 쉽게 설명하면,적외선 역시 ‘빛’입니다. 빛은 알갱이,즉 ‘광자’로 이루어져 있습니다(물론 파동의 성격도 가지고 있습니다). 적외선 광자를 흡수한 뒤 이를 이용해 에너지를 전달합니다. 이렇게 전달된 에너지를 가시광선으로 변환해 방출합니다. 여기서 바뀐 가시광선을 이미지센서가 감지하고,이를 디지털 신호로 바꿔 줍니다. 이 과정에서 적외선이 가진 정보를 가시광선으로 바꿔 보여줍니다.

이제 ‘광증폭’입니다. 말 그대로 빛의 신호를 증폭시키는 기술을 의미합니다. 광통신에서 이를 응용하는데요,인터넷,통신망 등에서 신호 손실을 방지하기 위해 장거리 전송 중간중간,신호를 증폭하는 광증폭 기술을 활용합니다.

양자점 기반의 상향 변환 장치로 감지한 이미지 사진들 하지만 이러한 기술은 한계가 있었습니다. 바로 낮은 효율입니다. 즉 적외선에서 나온 광자를 가시광선으로 바꿔야 하는데,이 효율이 상당히 떨어지는 것입니다. 그렇게 되면 가시광선으로 만든 이미지 역시 선명하지 않을 것입니다. 효율이 낮은 데는 여러 이유가 있습니다. 전자,전하의 이동이 느리고 구조적인 한계도 영향을 미친다고 합니다.

연구진은 이러한 한계를 극복하는 새로운 대안을 제시합니다. 먼저 양자점의 ‘포토다이오드(빛을 전기 신호로 바꿔주는 장치)’와 ‘발광다이오드(전기 에너지를 빛으로 바꿔주는 장치)’를 하나의 소자로 결합해 기존 공정이 가진 복잡성을 줄였습니다. 또한 센서 구조 역시 단순화해 광자의 전달 효율을 극대화합니다. 이 과정에서 광증폭을 또 활용합니다. 이를 통해 입사 광자 대 방출 광자 효율을 기존 100%에서 982%로 끌어올리는 데 성공합니다.

위 사진이 연구성과를 잘 보여줍니다. 적외선을 이미지화할 수 있는 만큼 맥박 감지에도 성공했으며 실시간으로 손동작을 인식하는 동작 감시 기능도 구현해 냈습니다.

아직 초기 단계 기술이지만 향후 상용화로 연결된다면 다양한 산업에 이를 적용할 수 있을 것으로 보입니다. 이 기술이 스마트폰에 탑재된다면,어두운 방에서도 선명한 사진 촬영이 가능하겠죠. 더 나아가 상상의 나래를 펼쳐볼게요. 적외선으로 핏줄을 볼 수 있게 되면 별다른 의료 행위 없이 저선량의 적외선 영상을 통해 더 안전하고 정밀한 의료 진단이 가능해집니다. 암 조기 진단은 물론 심혈관 이미징 등에도 활용할 수 있을 거예요. 적외선을 이용하게 되면 야간 투시,열화상 카메라 성능도 크게 향상할 수 있습니다.

또 하나,바로 자율주행차입니다. 자율주행차에는 여러 센서가 대거 달려 있는데요,밤길에는 주로 적외선 카메라를 ‘눈’처럼 활용합니다. 이 기술을 이용하면 야간 주행 시 주변 환경을 더 선명하고 정확하게 인식할 수 있습니다.