▲  일반 플라스틱 렌즈(1)와 황 함유 플라스틱 렌즈(2)의 적외선 촬영 성능 : 황 80wt% 함유 플라스틱 렌즈를 사용한 적외선(3000~5000 nm) 카메라의 인물 사진으로 일반 플라스틱 렌즈에 비해 선명도가 향상된 것을 볼 수 있다.

[동양뉴스통신] 육심무 기자 = 서울대 차국헌 교수와 미국 아리조나대 제프리 편(Jeffrey Pyun) 교수 연구팀이 저렴한 황을 주원료로 한 고성능 적외선 렌즈용 플라스틱 소재를 개발했다.

▲  서울대 차국헌 교수

기존의 비싸고 가공이 어려운 물질을 대체해 차세대 스마트폰에 탑재될 수 있는  적외선 센서와 카메라, 조명 등에 활용될 수 있을 것으로 기대되는 이번 연구결과는 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 3월 21일자 온라인 판에 게재되었다. (논문명 : New Infrared Transmitting Material via Inverse Vulcanization of Elemental Sulfur to Prepare High Refractive Index Polymers)

황은  석유 정제과정에서 연간 7백만톤 이상 배출돼 가격이 저렴하지만 가공성이 좋지 않아 활용가치가 낮았다. 적외선을 잘 투과시키고 빛의 방향을 잘 변화시켜 우수한 광학적 특성을 지니기 때문에 가공성을 개선시켜 적외선 렌즈로 활용할 수 있다.

기존 적외선 렌즈에 주로 사용되는 무기재료(InSb, InGaAs, HgCdTe)는 비싸고 가공이 어렵다는 단점이 있었다.

반면 플라스틱은 가공성이 우수하나 적외선 영역에서 굴절률이나 투과율 등 광학적 특성이 좋지 않아 활용에 한계가 있었다.

연구팀은 광학적 특성이 뛰어난 황에 유기물질을 첨가해 가공성을 개선해 플라스틱처럼 자유자재로 모양을 만들 수 있으면서 굴절률과 투과율이 뛰어난 황 기반 광학소재를 개발했다.

저렴한 황을 이용한 경제적인 광학소재로 사람을 비롯한 열을 가진 물체가 방출하는 적외선 영역에서 광학적 특성이 뛰어나 체온을 감지하는 적외선 센서나 어두운 밤에 촬영가능한 적외선 카메라 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 광학소재로 만든 광학렌즈로 적외선 영상을 촬영한 결과 기존 플라스틱 렌즈에 비해 초점거리가 짧으면서도 훨씬 선명한 열이미지를 얻어냈다.

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황 기반 신소재가 기존 플라스틱 물질(굴절률은 n ~1.5이고 적외선 투과율은 보통 40~60% 정도)보다 높은 굴절률(n ~1.8 이상)과 적외선 투과율(85% 이상)을 보였다.

차 교수는 “황은 뛰어난 광학적 특성을 지니고 있고 저렴하지만 가공하여 활용하기 쉽지 않았는데, 단순한 방법으로 가공성을 크게 개선하여 고성능 적외선 광학렌즈로 활용한 것”이라고 밝혔다.

한편, 적외선 광학소자는 카메라나 센서 등 가전제품뿐만 아니라 의학기기, 군사장비 등에도 널리 사용되어왔다.

일반적으로 무기반도체 재료나 황(S), 셀레늄(Se), 텔러륨(Te) 계열의 유리질과 같이 적외선 영역의 굴절률과 투과율이 우수한 물질을 광학렌즈로 제조하여 사용해왔으나, 가격이 비싸고 가공이 용이하지 않다는 단점을 지니고 있다.  

▲  렌즈 형태로 가공된 80wt% 황 함유 플라스틱 신소재

가공성이 용이한 기존의 고굴절 고분자는 적외선 영역에서의 저조한 광학성능 때문에 적외선 광학소자를 제조하는데 거의 사용되지 못했다.