적외선 영상탐색기는 외부 환경으로부터 내부 광학계와 검출기를 보호하면서 적외선을 투과시키기 위해 전방에 광학창을 구비하며, 고속으로 비행하는 유도탄 탐색기의 광학창은 비행체의 외형과 공력 특성을 고려하여 곡면, 또는 비구면을 포함하는 공형(Conformal) 광학창을 적용할 수 있다. 하지만 마하 3~5 이상의 속도로 비행하는 경우 공력 가열로 인해 온도가 크게 상승하고, 광학창 내부에 불균일한 온도분포가 형성되면서, 굴절률 차이로 인한 광경로차와 파면오차가 발생한다. 여기에 더해, 열팽창에 의한 표면 형상 변화로 초점 이동과 광학수차가 발생할 수 있으며, 고속 비행체 주변에서 형성되는 충격파, 전단층 및 난류 경계층에 의한 공광학(Aero-optic) 현상도 영상 품질을 저하시키는 주요 원인이 된다.
이와 관련하여, 최근 국방과학연구소는 전기활성고분자(EAP)와 상변화물질(PCM) 메타표면을 통합하여 광학특성을 능동적으로 제어할 수 있는 적외선 광학창에 대한 특허를 등록했다. 이 적외선 광학창은 전면부 보호 코팅(DLC)과 적외선 투과 기판(사파이어·스피넬), 열절연층(에어로젤 박막), EAP, PCM 메타표면, 그리고 EAP/PCM 메타표면 제어를 위한 전극과 마이크로히터로 구성된다. EAP는 전압 인가에 따라 초점이탈·비점수차 등의 넓은 영역에 대한 파면오차를 보정하며, PCM 메타표면은 마이크로히터를 이용하여 비정질·결정 상태를 가변하고 굴절률과 위상응답 등의 광학특성을 능동적으로 제어할 수 있다.
한편, 해당 특허에서는 PCM 메타표면을 MWIR/LWIR 이중대역으로 구성하여 운용하고, 특정 방해파장을 선택적으로 억제하는 IRCCM 운용개념에 대해서도 제시하였으나 실제 적용이 가능할지는 불확실하다. 제시된 적외선 투과 기판(사파이어·스피넬)은 MWIR에서 투과 성능을 보유하는 것으로 알려져 있다.
특허에서 제시한 실시예에 대한 설명을 참조하면, 능동 공광학 제어기술이 적용된 IIR 광학창은 마하 3~5 수준의 고속 비행환경에서 초점거리를 약 ±17%로 가변하며 파면오차를 보정할 수 있다. 이를 통해 고속 비행 중 획득하는 적외선 영상의 해상도, 초점 안정성 및 파면 품질을 향상시킬 수 있다. 획득 영상의 품질 향상에 별도의 냉각 구조와 구동모터 등의 장치를 필요로 하지 않고, 평균 소비전력을 약 1W 미만으로 구현할 수 있으므로 SWaP-C 측면에서도 유리하다. 또한, 적외선 투과성 기판과 EAP, PCM 메타표면 및 열절연 구조를 유기적으로 결합함으로써 상변화물질의 구동열과 외부 공력가열에 의한 상호 열간섭을 억제할 수 있고, 고속 비행환경에서 안정적인 광학성능과 구조적 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.
참고자료
- 전기활성고분자 및 상변화물질 메타표면을 구비한 능동 공형 적외선 윈도우 및 그 제어 방법(국방과학연구소, 등록번호 10-3043537)
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