야간 투시경은 군사 기술이 발전하던 1930년대에 처음 등장했다.

이후 제2차 세계대전 동안 널리 사용되기 시작했다. 기술은 세월이 흐르며 발전했지만, 이 장치는 여전히 부피가 크고 비싸며 무겁다.

야간 투시 시스템은 근적외선을 전자 형태로 변환한 후, 이 전자들이 진공을 통과해 스크린에 도달하면서 가시광선으로 바뀌는 과정을 이용한다.

빛이 약 1만 배 증폭되기 때문에 사용자는 어둠 속에서도 선명한 시야를 확보할 수 있다.

그러나 이 과정은 많은 전력을 소모하기 때문에 설계상 제약이 크며, 결국 크기와 비용을 증가시키는 원인이 된다.

유기발광다이오드(OLED) 또한 적외선을 가시광선으로 1:1 비율로 변환할 수 있다.

그런데 최근 개발된 새로운 OLED는 입력되는 한 개의 광자에 대해 여러 개의 출력 광자를 생성하는 방식으로 이 비율을 바꿔 놓았다.

미시간대학교 연구진에 따르면, 이 새로운 OLED 기술을 작고 가벼운 안경형 기기에 적용하면 장시간 사용이 가능한 저비용 야간 투시 장치를 구현할 수 있을 것으로 전망된다.

■ 작동원리

이 새로운 OLED 솔루션은 근적외선을 가시광선으로 변환하고 증폭시켜, 기존의 고전압 부품을 사용하지 않고도 100배 이상의 증폭 효과를 낸다.

놀랍게도 이러한 빛의 증폭은 머리카락 굵기(약 50마이크론)보다 훨씬 얇은 1마이크론(0.001mm) 미만의 초박막 필름 적층 구조 내에서 이루어진다.

이 장치는 기존의 영상 증강기보다 훨씬 낮은 전압에서 작동하기 때문에 전력 소비를 줄이고 배터리 수명을 늘릴 수 있다.

광자를 흡수하는 층과 5층 구조의 OLED 적층체를 결합함으로써, 새로운 OLED는 적외선을 전자로 변환한 뒤 다시 가시광선 광자로 변환한다.

기존의 1:1 비율과 달리, 이 OLED는 한 개의 전자가 적층 구조를 통과할 때마다 다섯 개의 광자를 생성한다. 그 결과, 동일한 입력 광량으로 더 많은 출력 광을 얻을 수 있게 된다.

이전에도 OLED를 이용해 근적외선을 가시광선으로 변환할 수는 있었지만, 순수한 광자 이득은 없었다.

미시간대학교의 크리스 기빙크(Chris Giebink) 교수가 이끄는 연구팀은 박막 장치에서 최초로 높은 광자 이득을 실현했으며, 그 결과를 학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 발표했다. 연구에는 박사후 연구원 라주 람판데(Raju Lampande)도 참여했다.

연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 상용 소재와 기존의 OLED 제작 기술을 활용해 비용 효율성과 확장성을 높였다. 이 성과는 디스플레이 기술, 상향 변환 영상 기술, 그리고 뉴로모픽 광전자 공학 분야에서 중요한 발전의 길을 열었다.

■ 메모리 구성 요소

이 접근 방식의 독특한 점은 OLED 내부에 ‘기억 효과(memory effect)’가 존재한다는 것이다.

이로 인해 컴퓨터 비전 시스템이 들어오는 빛 신호나 이미지를 감지하고 해석할 수 있는 가능성이 열린다.

이 현상은 일반적으로 ‘이력(hysteresis)’이라 불리며, 이는 시스템의 현재 상태가 과거 입력에 일정 부분 의존한다는 의미를 가진다.

OLED의 경우, 이력 현상은 특정 순간의 광 출력이 과거에 받은 빛의 세기와 지속 시간에 영향을 받는다는 뜻으로, 장치가 이전의 조명을 ‘기억’하고 그 기록을 바탕으로 현재 성능을 향상시킬 수 있게 한다.

기빙크 교수는 이력 현상을 다음과 같이 설명했다.

”상향 변환 OLED를 빛으로 비추면 빛을 내기 시작하고, 조명을 끄면 빛을 내지 않게 됩니다“

그러나 이번에 개발된 새로운 장치는 시간이 지나도 ‘켜진(on)’ 상태에 머무르며, 과거의 조명을 기억할 수 있다.

이러한 독특한 기억 특성은 인간의 시각 시스템처럼 이미지를 처리하는 기능을 가능하게 한다.

이 특성은 인간의 뇌에서 뉴런이 과거의 신호를 기억하고 정보를 처리하는 방식과 유사하며, OLED가 이미지를 보다 효과적으로 분석하고 분류하도록 돕는다.

이전 입력을 유지할 수 있는 이러한 OLED는 뉴런과 유사한 연결 구조를 구현할 수 있어, 별도의 연산 장치 없이도 입력 이미지를 직접 해석하고 분류할 수 있는 이상적인 기반을 제공한다.

■ 군사와 방위를 넘어

전통적으로 우리는 야간 투시 기술을 군사 및 방위 산업과 연관 지어 생각하지만, 이 초경량 OLED의 활용 가능성은 그 범위를 훨씬 넘어선다.

스마트 시티에서는 이 기술을 활용해 경찰관이나 응급 구조 요원이 사용할 수 있는 소형 휴대용 야간 투시 장비를 제공함으로써 도시 안전을 강화할 수 있다.

또한 OLED 야간 투시는 IoT 네트워크와 연동되어 어두운 공간의 스마트 모니터링에도 적용될 수 있다.

뉴욕과 싱가포르 같은 도시는 이미 이러한 기술의 혜택을 받을 수 있는 차세대 도시 프로그램을 탐구 중이다.

자율주행 차량 분야에서는 OLED 야간 투시 센서를 통해 야간 환경에서의 물체 인식 능력을 향상시키고 에너지 효율을 높일 수 있다.

이는 전기차와 자율주행차 모두에 적합한 선택지가 된다. 이 기술은 증강현실(AR), 웨어러블 기기, 산업 현장, 심지어 야생동물 관찰 등 다양한 분야로 확장될 수 있다.

예를 들어 AR 안경은 등산객이나 사진가를 위해 야생 동물의 실시간 위치 지도를 표시할 수 있으며, 건설 현장의 근로자들은 이 OLED를 활용해 작업 안전성을 높일 수 있다.

또한 보전 연구자들은 이 기술을 통합한 초소형 장치를 사용해 외딴 지역의 야행성 생물 활동을 관찰할 수도 있다.

이처럼 다양한 응용 사례는 OLED 기반 야간 투시 기술이 얼마나 광범위한 혜택을 제공할 수 있는지를 보여준다.

■ 야간 투시의 미래

OLED 기술이 적용된 야간 투시는 우리가 밤의 세계와 상호작용하는 방식을 한 단계 끌어올릴 수 있는 차세대 도약이 될 것으로 보인다.

미시간대학교 연구진은 소형 박막 장치에서 높은 광자 이득을 구현함으로써 기존 시스템의 한계였던 부피, 높은 전력 소모, 복잡한 고전압 부품 의존 문제를 극복했다.

극히 적은 전력으로 빛을 증폭시킬 수 있다는 점은 이 기술이 군사 및 감시 분야는 물론 웨어러블 기기와 자율주행차 등 다양한 영역에서 폭넓게 활용될 수 있음을 의미한다.

이번 혁신은 OLED 조명 솔루션 선도 기업인 OLEDWorks와 항공우주 및 방위 분야의 혁신 기업 RTX가 협력하여 개발했으며, DARPA의 연구 자금 지원을 통해 추진되었다.

※ 저자소개
캐럴린 매서스(Carolyn Mathas)는 United Business Media 산하의 EDN과 EE Times, IHS 360, 그리고 AspenCore 등에서 프리랜서 작가이자 사이트 에디터로 활동하고 있으며, 여러 기업과도 협업하고 있다. 그녀는 과거 Securealink과 Micrium, Inc.에서 마케팅 이사로 재직했으며, 필립스(Philips), 알테라(Altera), 볼더 크릭 엔지니어링(Boulder Creek Engineering), 루슨트 테크놀로지스(Lucent Technologies) 등 다양한 기업에 홍보, 마케팅, 콘텐츠 제작 서비스를 제공했다. 뉴욕공과대학교(New York Institute of Technology)에서 MBA를, 피닉스대학교(University of Phoenix)에서 마케팅 학사 학위를 취득했다.