물질에서 '반사되는 빛'이 아닌 '흡수되는 빛'을 이용한 감지법이 발명됐습니다. 기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단 프랑수아 암블라흐 연구위원(UNIST 자연과학부·생명과학부 특훈교수)은 대상의 온도 증가를 이용한 탐지기술을 이론적으로 제안했는데요. 연구팀은 이를 이용해 일상생활에서 소리, 전파 같은 파장으로 초고해상도 영상 촬영이 가능함을 보였습니다. 이번 발견은 군수 레이더, 자율주행차 분야 등에 쓰일 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다.
아주 짧은 시간동안 나타나는 온도 상승을 포착해 감지한다
자율주행차는 다른 차들의 위치를 인식합니다. 이는 손전등을 비춰 물건을 찾는 사람과 장애물을 피해 비행하는 박쥐와 근본적으로 동일한 원리를 이용합니다. 목표물에서 반사돼 돌아온 빛, 소리, 전자기파로 목표물에 대한 정보를 얻는 것이죠. 이 기본 원리는 물체가 충분한 에너지를 반사했을 경우에만 사용할 수 있습니다. 그러나 스텔스 비행기는 빔을 반사하는 대신 흡수해버립니다. 때문에 물체를 감지하기 어렵죠. 이 경우에 반사가 없는 대신 물체에 흡수된 에너지가 열로 변환돼 온도가 올라갑니다.
이번 연구는 빔이 만드는 온도 증가로 물체를 감지한다는 아이디어에서 출발했습니다. 모든 물체는 원자들이 가진 열을 빛 형태로 방출하는데요. 바로 이 빛을 읽는 것입니다. 공항에서 고열의 승객을 찾아내는 적외선 카메라도 이 원리를 사용하죠. 그러나 레이더가 전달하는 에너지가 아무리 커도 스텔스기의 온도는 아주 미미하게 증가한다는 문제가 있습니다.
연구진은 대상에 빔을 쏘아 발생시킨 온도변화에 따라 복사량이 크게 달라짐을 이용했습니다. 물체가 반사하는 빛이 빔 강도에 비례하는 것과는 달리 복사로 방출되는 빛의 세기는 온도에 따라 매우 빠르게 증가하는 초선형성을 보입니다. 연구진은 이를 이용해 아주 짧은 시간동안 나타나는 온도 상승을 포착함으로써 복사광선 감지가 가능함을 보였습니다.
또한 이 초선형성 때문에 좁은 영역에 빔을 비추어 복사광선을 감지하면 반사를 이용했을 때는 달성하지 못했던 높은 해상도를 달성할 수 있습니다. 빔을 물체에 비출 때 중심 부분이 더 데워져 복사가 빔 지름보다 작은 중심부에서 발생하기 때문이죠. 연구진은 쏘아주는 빔 에너지가 클수록 이론적으로는 복사광선 방출 지점의 크기가 한없이 작아짐을 보였습니다. 이는 극도로 가까운 두 점을 구분할 수 있게 만들어 해상도를 높입니다.
이번 연구에서 제안한 복사광선 감지는 광학현미경을 넘어 다른 빔에도 초고해상도를 가능하게 한다는 데 의의가 있습니다. 본래 초고해상도 개념은 분자가 빛을 흡수하고 방출하는 원리입니다. 때문에 레이저를 이용한 현미경에만 적용할 수 있었는데요. 이에 반해 열복사를 이용한 이번 연구는 에너지를 가진 빔이라면 무엇이든 적용이 가능합니다. 덕분에 레이더와 같은 장거리 탐지를 기존의 해상도보다 훨씬 향상시킬 수 있습니다.
제 1저자인 기욤 카시아니 연구위원은 "이번 연구는 자율주행 자동차 레이더, 스텔스 물체의 중거리·장거리 감지 등의 분야에 전혀 새로운 가능성을 제공할 수 있다"며 "이를 위해 나노미터에서부터 비행기와 같은 큰 물체에 이르기까지 다양한 크기의 물체와 다양한 상황에서 선명도의 크기를 이론적으로 예측했다"고 말했습니다.
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