공기처럼 투명한 금속으로 자율주행 레이더 얼음 녹여. 극저온 환경에서 전파 100% 투과하는 메타물질 발열필름 개발

극저온 환경에서 전파 100% 투과하는 메타물질 발열필름 개발

□ 극한의 저온 환경에서 두꺼운 얼음을 순식간에 제거, 자율주행차의 레이더 성능을 그대로 유지해주는 신소재 발열필름이 개발됐다.

(그림1) 설계한 금속 메타필름의 전파 (마이크로파) 완전 투과 원리 및 제작한 금속(구리) 메타필름의 카메라 사진 (왼쪽 그림) 설계한 금속 메타필름의 개념도. 금속 메타물질 필름은 기판 상부에 도입되어 투과 마이크로파의 위상을 조절함. 이를 통해 투과율이 최대가 되는 (정상파가 형성되는) 주파수를 인위적으로 변조함. (오른쪽 그림) 제작한 금속(구리) 메타필름의 사진.

□ 한국연구재단은 경희대학교 김선경 교수 연구팀이 극한 환경에서 전파를 100% 투과하면서도 낮은 전기저항을 나타내는 레이더용 메타물질* 발열필름을 설계·제작하고, 제빙 성능을 입증했다고 밝혔다.

* 메타물질(Metamaterial): 아직 자연에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 설계된 물질.

a 자율주행 차량에 설치된 다양한 유형의 센서를 보여주는 모식도. b 악천후 조건에서 히터가 있는 경우와 없는 경우의 레이더 센서 모듈을 보여주는 모식도. 모듈 커버에 쌓인 얇은 서리 또는 얼음 층은 수신 및 발신 신호를 상당히 반사하거나 산란시킵니다. c W 대역 내에서 코팅되지 않은 유리 커버의 S21 스펙트럼 측정 및 시뮬레이션. (삽입) 측정 설정의 모식도. d 마이크로파 투명 메타물질의 원리를 설명하는 모식도. (왼쪽) 코팅되지 않은 유리 기판은 부적절한 두께로 인해 목표 주파수(fo)에서 정재파 조건을 충족하지 못하여 fo에서 투과율이 감소합니다. (오른쪽) 적절한 위상 지연을 유도하는 메타물질이 정상파 조건을 f0으로 조정하여 fo에서 완벽한 전송을 가능하게 합니다.

□ 자율주행차에서 눈 역할을 하는 센서는 크게 라이더(LiDAR)와 레이더(RADAR)가 있다.

○ 이중 레이더는 전파를 발사해 목표물에 맞고 되돌아오는 데이터로 물체의 거리, 속도, 방향 정보를 탐지한다.

○ 레이더에 사용되는 전파인 마이크로파 고유의 높은 투과성 덕분에 악천후에도 강한 장점이 있지만, 레이더 표면에 결빙 또는 서리가 생기면 신호 감쇠로 오작동 확률이 커질 수 있다.

○ 이를 보완하기 위해 레이더 표면에 부착하는 투명 발열필름 기술이 개발되고 있으나, 주로 가시광 영역에서 시야 확보를 목표로 하고 있어 마이크로파 대역에서 동작하는 발열필름 연구가 시급하다.

 

□ 김선경 교수 연구팀은 표면 대부분이 금속 물질로 덮여 있으면서도 레이더 전파가 완전히 투과하는 신소재 필름 개발에 성공했다.

○ 레이더 발열필름 한계를 극복하기 위해 ‘메타물질’을 핵심기술로 활용했다.

○ 유전율이 1인 메타물질*을 설계, 금속임에도 빛이 이를 공기처럼 느껴 레이더 전파가 100% 투과하는 금속 메타필름을 개발했다.

○ 금속 메타필름 제작 과정을 살펴보면 0.7mm 두께의 유리 기판 위에 300nm** 두께의 구리 필름을 코팅한 뒤, 코팅된 구리 필름에 반도체 공정을 통해 미리 설계된 문양을 새기는 방식이다.

*유전율과 메타물질: 유전율은 유전체(부도체)의 전기적 특성을 나타내는 값으로 외부에서 전기장을 가했을 때 전하가 한 방향으로 정렬되는 정도를 의미함. 유전율이 잘 알려진 물질을 구조화하거나 특정 문양으로 배치하는 방식으로 특정 주파수 영역에서 원하는 유전율을 나타내도록 인위적으로 설계한 것이 메타물질..

**나노미터: 머리카락 두께의 10만분의 1. 혹은 미터의 십억분의 일에 해당하는 길이의 단위.

(그림2) 금속 메타필름의 극저온 환경 제빙 성능 시험 (왼쪽 그림) 극저온 환경을 모사하는 실험 장치의 개념도. 열전모듈 위에 금속 메타필름을 밀착하고, –20℃의 온도를 유지함. 4.5 V 전압 인가 후 온도 센서를 이용하여 유리 기판의 발열 온도를 측정함. (오른쪽 그림) 4.5 V 전압 인가 후 금속 메타필름과 비교 샘플인 일반 그리드 문양의 발열필름의 제빙 정도를 카메라로 촬영함. 금속 메타필름은 10초 이내에 완전한 결빙 제거를 확인함. 반면에 일반 그리드 문양의 발열필름은 90초 이후에도 부분적인 결빙이 관찰됨.

□ 이렇게 제작한 금속 메타필름은 마치 공기와 같이 행동하면서 전파의 완전 투과를 유도함을 입증했다.

○ 유전율 분석법을 통한 검증에서 세계 최고 수준의 전기저항(0.41 옴/sq)을 기록했고, 영하 20도 이하의 극저온 환경에서도 두꺼운 얼음을 순식간에 제거할 수 있음을 제빙 실험에서 확인했다.

○ 김선경 교수는 “이는 금속 메타필름이 극저온 환경에서도 레이더의 정상 동작을 보장함으로써 자율주행의 표준 기술이 될 수 있음을 시사한다”며, “이 필름은 겉보기에는 일반 금속과 비슷해, 스마트폰과 같이 금속 필름을 사용하면서도 전파 간섭을 억제하는 상황에 응용할 수 있다”라고 설명했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 다학제 과학 분야의 국제저명 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’온라인에 5월 28일 게재되었다.