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"스텔스기도 잡는다" IBS 연구진 복사광선 감지법 창안군수레이더, 자율주행차 등 활용분야 무궁무진
그림 위는 반사 신호와 복사 신호의 해상도 원리를 나타낸다. 상단 왼쪽은 두 개의 평면 목표물이 조준된 빔에서 에너지를 받는다. 그 다음 두 물체에서 빛이 복사되어 나온다. 오른쪽 그림에서는 위치에 따른 광자 수 그래프. 파란색 실선은 물체에 쏜 빔, 파란색 점선은 반사되어 나오는 빛, 빨간색 실선은 복사로 발생하는 빛을 나타낸다. C∞는 주변 배경복사. 하단 표는 복사 감지 시나리오를 축약해 보여준다. 50 ㎠ 목표물의 경우에는 해당 조건의 빔을 쏘았을 때, 초당 1만 개의 광자 신호로 기존 한계 대비 9.2배 해상도를 달성할 수 있다.

스텔스기를 잡는 기술이 개발됐다. 세계 처음이다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 첨단연성물질 연구단(단장 스티브 그래닉) 프랑수아 암블라흐 연구위원(UNIST 자연과학부·생명과학부 특훈교수)이 사물의 온도 증가를 이용한 복사광선 감지 이론을 창안했다고 23일 밝혔다.

이 이론은 물질에서 반사되는 빛이 아닌 흡수되는 빛을 이용한 감지법이다. 레이더 전파를 흡수하는 스텔스기도 이 감지법을 이용하면 기체 온도상승 여부를 파악할 수 있다. 아주 짧은 시간동안 나타나는 온도 상승을 포착해 복사광선을 감지하는 식이다.

연구진은 이를 적외선 카메라 촬영원리와 유사하게 초고해상도 영상으로 촬영할 수 있다. 일상생활의 소리나 전파와 같은 파장 이미지를 얻을 수 있다.

연구진은 사실 레이더가 전달하는 에너지가 아무리 커도 스텔스기 온도는 아주 미미하게 증가한다는 것에 고민이 많았다.

연구진은 이 문제 해결을 위해 대상에 빔을 쏘아 발생시킨 온도변화에 따라 복사량이 크게 달라진다는 것에 주목했다. 물체가 반사하는 빛이 빔 강도에 비례하는 것과는 달리 복사로 방출되는 빛의 세기는 온도에 따라 매우 빠르게 증가하는 초선형성을 보인다는 사실에 천착한 것.

초선형성은 온도와 열복사 사이 비율이 조건에 따라 상이하다. 예를 들어 상온에서 파장 800nm(적외선) 빛을 비추는 조건에서는, 온도가 1% 증가할 때 복사로 발생하는 광자의 수가 57%로 크게 증가한다.

빔조건이 1.5㎛(주변온도 26도, 온도상승값 100도)일 때 목표물 크기가 1㎚면 복사신호(광자개수/초)는 1개다. 그러나 5㎛에서는 100개, 50㎠에서는 1만개의 광자가 튀어나온다. 또한 대상물의 해상도도 기존대비 9.2배나 선명한 이미지를 얻을 수 있다.

복사신호 감지법을 창안한 프랑수아 암블라호 IBS 첨단연성물질연구단 연구위원(왼쪽)과 기욤 카시아니 연구위원.

이 초선형성은 또 좁은 영역에 빔을 비추어 복사광선을 감지하면 반사를 이용했을 때는 달성하지 못했던 높은 해상도를 얻을 수 있다. 빔을 물체에 비출 때 중심 부분이 더 데워져, 복사가 빔 지름보다 작은 중심부에서 발생하기 때문이다. 연구진은 쏘아주는 빔 에너지가 클수록 이론적으로는 복사광선 방출 지점의 크기가 한없이 작아진다는 것도 확인했다. 이는 극도로 가까운 두 점을 구분할 수 있게 만들어 해상도를 높이게 된다는 것이 연구진의 설명이다.

연구진은 “복사광선 감지는 광학현미경을 넘어 다른 빔에도 초고해상도를 가능하게 한다는 데 의의가 있다”며 “열복사를 이용한 이번 연구는 에너지를 가진 빔이라면 무엇이든 적용할 수 있어, 레이더와 같은 장거리 탐지를 기존의 해상도보다 훨씬 향상시킬 수 있을 것”으로 기대했다.

본래 초고해상도 개념은 분자가 빛을 흡수하고 방출하는 원리이기 때문에 레이저를 이용한 현미경에만 적용할 수 있었다.

기욤 카시아니 연구위원(제1저자)은 “이번 연구는 자율주행 자동차 레이더, 스텔스 물체의 중거리·장거리 감지 등의 분야에서 완전히 새로운 가능성을 제공할 수 있다”며 “나노미터에서부터 비행기와 같은 큰 물체에 이르기까지 다양한 크기의 물체와 다양한 상황에서 선명도의 크기를 이론적으로 예측할 수 있을 것”이라고 말했다.

이 연구 결과를 담은 논문은 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878)’의 온라인판(12월 17일자)으로 게재됐다.

박희범 기자  snews@s-news.kr

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