[충청뉴스 이성현 기자] 우주 탑재체나 위성의 임무가 변경될 때마다 광학 필터와 센서 자체를 통째로 다시 설계하고 제작해야 했던 기술적 한계가 사라진다.
전기 신호 하나만으로 열영상 센서, 분광기, 적외선 카메라 등 다양한 센서 기능을 자유자재로 전환할 수 있는 초소형 광학 칩 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST)은 항공우주공학과 김현정 교수 연구팀이 미국 매사추세츠공과대학교(MIT)와 빛을 원하는 방식으로 자유롭게 제어하는 초소형 메타표면 기반의 ‘투과형 중적외선 공간광변조기(SLM)’를 개발했다고 14일 밝혔다.
이 소자는 각 픽셀을 전기적으로 독립 제어하는 데 성공한 세계 최초의 사례로 국제 공동 연구진은 소재 개발부터 칩 설계, 우주 환경 검증 및 비행 실증으로 이어지는 전 주기 협력 체계를 구축했다.
연구팀은 신개념 공간광변조기 구현을 위해 전기 신호를 받으면 광학 상태가 변하는 비휘발성 상변화 소재(PCM)인 ‘GSST’와 실리콘 마이크로히터를 결합했다.
이 소재는 전원이 꺼져도 한 번 조절된 광학 상태를 그대로 유지하기 때문에, 전력 자원이 극도로 제한적인 위성이나 우주 탑재체에 최적화된 저전력 구동이 가능하다.
나아가 픽셀 수가 늘어날 때 선택하지 않은 픽셀까지 오작동을 일으키는 ‘기생 경로(Sneak Path)’ 문제를 해결하기 위해 각 픽셀마다 반도체 소자인 ‘실리콘 PIN 다이오드’를 적용하는 독창적인 크로스바 구조 아키텍처를 도입했다.
연구팀은 이 설계를 바탕으로 6×6 픽셀 배열의 모든 픽셀을 정밀하게 독립 제어하고 원하는 공간적 광학 패턴을 선명하게 구현해 냈다.
13μs(마이크로초)의 초고속 기록 및 11 ms(밀리초)의 소거 성능을 달성했으며 약 1만 6700회 이상의 반복 구동 테스트를 거친 후에도 손상 없는 안정성을 증명해 기존 기술 대비 무려 13배 향상된 내구성을 확인했다.
특히 고온 반복 구동 시 발생하는 열응력과 박리(벗겨짐) 현상을 억제하기 위해 양 대학 연구팀의 소자 설계 역량과 신뢰성 공학이 결합됐다.
개발된 소자는 표준 반도체 공정을 활용하는 ‘실리콘 포토닉스’ 기술을 기반으로 제작돼 향후 수천 개 이상의 대면적 배열로 손쉽게 확장할 수 있는 독보적인 상용 플랫폼 가치를 지닌다.
연구팀은 향후 메타표면 구조를 고도화해 빛의 투과량 조절뿐만 아니라 빛의 방향과 편광까지 제어하는 ‘범용 재구성 광학(Universal Reconfigurable Optics)’ 단계로 발전시킬 계획이다.
실용화 단계에서는 마이크로렌즈 어레이 및 중적외선 카메라와의 통합이 추진된다.
김현정 교수는 "이번 성과는 단순한 개별 광학 소자 개발을 넘어 임무에 따라 소프트웨어처럼 기능을 바꾸는 ‘소프트웨어 정의 우주 센서’의 패러다임을 연 것"이라며 "KAIST 신진연구사업을 통해 600~1200°C의 고온 발사체 표면 온도를 정밀 진단하는 고온계를 검증 중이며, IRC 우주 서비스 및 제조 연구센터를 통해 우주정거장 열 감시 및 이상 진단 공통 플랫폼으로 이 기술을 계속 발전시키겠다"고 설명했다.
