제3장 첨단지능형 방산기능소재-감시정찰용 광학소재기술(1)-최주현(광기술원)신소재경제-재료연 공동기획 소재기술백서 2019(29)

제3장 첨단지능형 방산기능소재-감시정찰용 광학소재기술(1)-최주현(광기술원)신소재경제-재료연 공동기획 소재기술백서 2019(29) - 전장의 눈과 귀, 적외선 광학 소재 - 결정소재, 높은 경도 외부환경 노출·군수용 광학계 적합 - 비정질소재, 우수한 투과도·낮은 유리전이온도

기사등록 2021-07-13 13:48:34
수정 2021-09-17 10:04:30

재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 11번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘미래국방소재’다. 미래 전장 환경 변화, 병력대상 인구의 감소, 해외 주요국의 국방력 강화 등 미래국방 관련 기술개발의 요인이 갈수록 증가하고 있고, 우리나라 또한 정부 국정과제 및 주요 국방 관련 정책 대응을 위한 기술현황 파악에 적극적으로 나서고 있다. 소재기술백서 2019는 이러한 ‘미래국방을 위한 소재기술’을 주제로, 내열 및 구조 소재, 생존 및 방호 소재, 첨단지능형 방산기능 소재와 관련한 기술동향을 분석하는데 집중했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2019’를 연재한다.

전장의 눈과 귀, 적외선 광학 소재

결정소재, 높은 경도 외부환경 노출·군수용 광학계 적합

비정질소재, 우수한 투과도·낮은 유리전이온도

■기술의 정의 및 분류

광학 소재란 빛을 생성하거나 전달하는데 소요되는 재료나 광소재 부품(광학용 렌즈, 반사경, 광학필터 등)을 말한다. 특히, 적외선 광학소재는 760nm∼13μm의 빛을 결상하여 영상화하거나 검출하는 광소재 부품으로 물체에서 방출되는 적외선의 복사에너지를 측정하여 영상 및 이미지를 방출하거나 전달하는 소재이다.

‘감시, 자동차, 우주항공, 국방, 산업, 의료 및 소방’과 같은 안전 및 의료분야에서 적외선 광학 기술의 필요성이 급증하고 있으며, 연평균 6.5%의 성장을 보인다. 적외선 렌즈는 광범위한 광 스펙트럼에서의 탁월한 성능으로 인해 상업용, 산업용 및 군사용에 널리 응용되고 있고, 기존의 가시광 렌즈와는 달리 700nm 이상의 영역에 완전히 초점을 맞춰 성장하고 있다.

또한, 사용하고자 하는 적외선에 맞는 소재는 파장에 따라 달라지므로 다양한 기업들이 서로 다른 적외선 렌즈 소재에 투자와 연구를 계속하고 있다.

장파장 적외선(LWIR, Long Wave Infra Red) 스펙트럼 범위는 8∼15μm이며, 상기 스펙트럼 범위에서 작동하는 카메라는 열의 대기흡수에 대한 세부 정보를 제공할 수 있다.

중파장 적외선(MWIR, Mid Wave Infra Red) 카메라는 작거나 큰 온도 범위에 걸쳐 상세한 차이의 정확한 온도 측정을 제공하는 반면, LWIR 카메라는 방사선이 대상 자체에서 방출되기 때문에 주어진 대상의 이미지를 형성하기 위해 외부 광원을 필요로 하지 않다는 장점이 있다. LWIR은 안개와 연기를 통과하여 더 나은 시각을 제공할 수 있으므로, 열화상 촬영 및 수동시력(passive vision) 개선에 가장 적합하다.

또한, 장파장 적외선(LWIR) 카메라의 장점은 안개, 먼지, 겨울 헤이즈(haze:혹독한 기상 조건)에서 더 나은 성능을 보이는 것과 대기 난기류에 대한 내성이 높고 태양광의 변화 및 불꽃 발산에 대한 감도 감소이다. 이러한 LWIR 카메라는 주로 군사, 국토 안보, 항공우주 및 방위, 산업 및 자동차 애플리케이션에 사용되고 있다.

현재 적외선 소재는 열특성, 투과율, 굴절률, 분산, 구배지수 등이 중요한 인자로 작용한다. 소재의 특성상 근적외선, 중적외선, 원적외선으로 각각 나눌 수 없으며 위의 중요 인자에 따라 각각의 사용처(윈도우, 렌즈, 부품 등)에 맞는 소재를 선택하여 사용하는 것이 일반적이다. 따라서 결정소재, 비정질 소재를 각각 분류하여 설명하고자 한다.

1) 결정질 적외선 광학소재

Ge, ZnSe, ZnS 등과 같은 고가의 결정질 소재는 군수산업이 발달한 미국, 독일, 일본 등의 소수 선진기업(II-VI, Rohm & Hass 등)만이 원천 제조기술을 독점하고 있으며, 관련 소재는 해외수출입에 제한이 있다. 광학렌즈로 활용하고 있는 결정질 소재의 주요 특성으로는 굴절률 2.0 이상(@10㎛), 평균 투과도 60% 이상(코팅 전 기준) 이상을 만족하고 있다.

특히, Ge는 누프(Knoop) 경도 800(g/mm2)에 이르는 높은 경도를 보유하여 외부 환경에 노출되는 군수용 광학계에 매우 적합하지만, 높은 소재 가격 및 제작 단가가 민수용 광학계에서의 활용에 걸림돌이 되고 있다.

2) 비정질 소재

비정질 소재는 산화물계 광학소재와 비산화물계 광학소재로 나눌 수 있고, 산화물계 소재에서 적외선을 투과하는 대표적인 소재는 Germanate based glass, Telluride based glass, Aluminate glass, Vanadate glass, Antimonate glass 등이 있으며, 보통 6μm 영역까지 투과하는 소재이다.

비산화물계 적외선 광학소재는 일반 실리카 계열 광학유리보다 질량수가 높은 원소(VI족 S, Se, Te 등)를 포함하므로 12㎛ 이상의 원적외선 영역까지도 우수한 투과도와 낮은 유리전이온도 특성이 있다.

기존 적외선 광학렌즈는 대부분 고가의 단결정 소재를 DTM(Diamond turning machine) 가공으로 인한 높은 제조단가 때문에 민수분야 적용에 장애 요소가 되고 있으나, 최근 적외선 광학렌즈의 대량생산이 용이한 몰드성형방법 개발로 저가의 몰드성형용 적외선 광학소재가 크게 주목받고 있다.

■기술의 원리

전자기파 스펙트럼에서 적외선은 0.75㎛에서 1,000㎛ 파장 영역에 해당하며, 적외선의 응용 목적에 따라 0.75∼1.4㎛ 대역의 근적외선(Near Infra Red: NIR), 1.4∼3.0㎛ 대역의 단적외선(Short Wavelength Infra Red: SWIR), 3.0∼8.0㎛ 대역의 중적외선(Middle Wavelength Infra Red: MWIR), 8.0∼14㎛ 대역의 원적외선(Long Wavelength Infra Red: LWIR) 등으로 구분할 수 있다.

NIR과 SWIR 영역은 영상 획득을 할 때는 반사되어 온 적외선을 이용하기 때문에 반사형 적외선(reflected infra red)이라 하고 이에 대한 광원이 필요하다. 그리고 MWIR과 SWIR은 영상을 획득할 때에는 물체의 온도에 의해 스스로 복사하는 적외선을 이용하기 때문에 열형 적외선(Thermal infra red)이라 한다.

적외선 카메라는 크게 적외선 센서, 적외선 렌즈로 나눌 수 있다. 적외선 센서는 크게 양자형(quantum type)과 열형(thermal type) 두 종류로 구분한다. 양자형은 반도체 재료의 광전도(photoconductive) 현상을 이용한 것이며, 양자 효율이 우수하고 매우 낮은 온도에서 동작하므로 열적 잡음이 작아 탐지도(detectivity) 및 잡음온도 분해능(Noise Equivalent Temperature Difference: NETD) 특성이 매우 우수하나 동작 온도가 액체질소(77K) 온도 근처이며, 이를 위해 반드시 진공을 유지해야 하는 단점이 있다.

열형은 온도에 따른 재료의 물리적인 변화를 이용한 것이다. 열형 센서는 대부분 상온에서 동작하기 때문에 냉각을 위한 진공이 필요 없어 센서 가격이 저렴하다. 그러나 상온의 온도 때문에 기본적인 열적 잡음이 높아 신호 대 잡음비(S/N)가 냉각형인 양자형에 비해 떨어진다.

적외선 렌즈는 소재에 따라 결정질 적외선 광학소재, 산화물계 적외선 광학소재, 비산화물계 적외선 광학소재로 나눌 수 있다. 적외선 영역에서 투과율을 가지는 재료는 <그림 4>에 나타나듯이 다양한 소재가 있으며, 넓은 파장 영역에 걸쳐 적용이 가능한 여러 가지 소재가 투과율을 가지고 있다. 그러나 파장 영역에서 투과성을 보이는 것과 실제 제품에 적용하는 것은 아니다.

반대로 낮은 투과율에서도 추가 공정을 통해 제품화가 가능할 수 있다. 이는 AR(Anti-reflecting) coating 공정 등을 통하여 낮은 투과율과 높은 경도를 가지는 소재에 적용하여 적외선 영역에서 투과율을 높일 수 있기 때문이다. 또한, 이러한 공정은 고가의 소재를 대체하여 제품의 가격을 낮추는데 도움을 줄 수 있다.

광학 재료는 다양한 온도 변화에 노출되는 환경에 배치되는 경우가 많고, 특히 다량의 열을 발생시키는 제품이 많기 때문에 열적 속성을 먼저 고려해야 한다. 이를 위해서는 소재의 구배 지수와 열팽창 계수(CTE)를 평가하여 제품의 특성을 파악하는 것이 중요하다. 예를 들면 게르마늄은 구배 지수가 매우 높기 때문에 열적으로 불안정한 환경에서 사용하면 광학 성능이 저하될 가능성이 있다.

다양한 애플리케이션은 서로 다른 영역의 자외선 스펙트럼에서 투과율이 달라지므로 각 파장에 맞는 소재 선택이 중요하다. 예를 들어 시스템이 MWIR에서 작동하도록 설계되었다면, NIR에서 더 나은 성능을 보이는 사파이어보다 게르마늄을 선택해야 한다.

적외선 소재는 가시광 소재보다 굴절률이 더 많이 변화하므로 시스템 설계 시 더욱 다양한 변형이 발생할 수 있다. 가시광 소재와는 달리 적외선 소재는 무반사 코팅 시 대역폭이 제한될 수도 있다.

■미래 국방소재 관점에서 기술의 중요성 및 전망

‘감시, 자동차, 우주항공, 국방, 산업, 의료 및 소방’과 같은 안전 및 의료분야에서 이미징 센싱(sensing) 그 중 적외선 센싱 기술의 필요성이 급증하고 있으며, 위의 산업분야는 4차 산업혁명에서 중요한 위치를 차지하고 있다.

4차 산업의 중심이 되는 스마트 시티, 바이오헬스, 물류를 비롯한 보안 등 일부분의 산업 분야가 아니라, 전반적인 4차 산업혁명의 산업 혁신에서 주요 부품으로 사용되는 적외선 소재 산업은 현재 군수 관련 선진국(미국, 프랑스, 러시아) 선진社에서 독점하고 있다. 이러한 시대적 흐름은 미래 국방소재 관점에서 시대적 흐름도 포함되는 상황이다.

따라서 국방 분야에서 감시, 정찰을 위한 초 고도화된 적외선 소재 개발을 중심으로 민간분야에서 바이오헬스의 진단 분야에 대한 적외선 소재, 스마트 시티의 적외선 광학소재, 산업 현장에서의 적외선 센서 및 렌즈 소재에 대한 개발이 동시에 일어나고 있다. 따라서 이러한 기술 및 산업의 발전은 국내 방위산업 관련 기술력 상승을 동반한다고 할 수 있다.

예를 들면, 미국, 독일, 일본 등 선진국에서는 국가적 지원으로 고순도의 ZnS를 개발하여 비냉각식 적외선 영상 탐색기창(window)과 돔(dome) 소재로 이미 무기체계에 적용하여 운용하고 있으나, 국내의 경우 중적외선 광학계용 결정질 ZnS, ZnSe, Ge 등은 방위산업체에서 100% 수입하여 사용 중이다. 두께가 두꺼운 소재의 경우 군수 품목으로 소재 자체가 수입이 금지되어 있어, 고도화된 적외선 광학소재는 원천소재 개발부터 제품화까지 해외에 대한 기술 의존을 탈피하고 국가 산업으로 발전시켜야 하는 상황이다.

■결정질 적외선 소재

1)국내동향

중적외선 광학계용 결정질 ZnS, ZnSe, Ge 등은 방위산업체에서 100% 수입하여 사용 중이나 두께가 두꺼운 소재의 경우 군수 품목으로 소재 자체가 수입이 금지되어 있다. 수입되어 활용되는 적외선 광학렌즈 및 윈도우용 ZnSe, ZnS, Ge 등 결정질 소재는 단순 직가공 방식으로 제조되고 있다.

최근 국내에서 알엠아이텍에서 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 방식으로 ZnSe 개발을 시작하였으나 제조 시간이 길며 직가공이 필요하여 저가·보급형을 위한 대량 생산에는 부적합하다.

또한, 레이저 그레이드(laser grade)의 고가의 부품 개발이 이루어졌으나, 저가·보급형은 공정 개발이 필요한 상황이다. 대량 생산에 적합한 저분산성 ZnS 분말 소재 및 고분산성 TeO2계 광학유리 소재는 국내 개발이 전무하며 중적외선 광학유리 개발도 초기 단계이다. 그린광학에서는 핵심 방산소재 기술개발사업을 통하여 CVD-ZnS를 개발하였고, ㈜파인넥스에서는 민군겸용기술개발사업을 통하여 단결정 Ge을 개발하였다.

군수에서 사용 가능한 고성능 광학계용 원천소재의 개발에 이어 제조공정 개선을 통한 민수시장에서 가격경쟁력을 갖추기 위한 상업화가 필요한 단계이다. 현재 전략적 핵심 소재기술 개발을 통한 열수(hydrothermal) 방식에 의한 나노입자 제조와 개발 소재를 이용한 핫 프레스(Hot Press) 방식을 통해 소결형 ZnS 연구가 진행 중이다. 이 연구를 통해 가격 경쟁력이 뛰어나고 성능이 우수한 보급형 광학 모듈 구현이 가능할 것이다.