시카고 대, 획기적인 저가형 적외선 카메라 구현 Breakthrough could enable cheaper infrared cameras
Breakthrough could enable cheaper infrared cameras
(Nanowerk News) There's an entire world our eyes miss, hidden in the ranges of light wavelengths that human eyes can't see. But infrared cameras can pick up the secret light emitted as plants photosynthesize, as cool stars burn and batteries get hot. They can see through smoke and fog and plastic.
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시카고 대, 획기적인 저가형 적외선 카메라 구현 인간의 눈에는 볼 수 없는 빛의 파장 범위에 숨어있는 세계가 있다. 그러나 적외선 카메라는 가시 광선 카메라보다 훨씬 비싸다. 적외선의 에너지는 가시 광선보다 작기 때문에 포착하기가 더 어렵다. 그러나 시카고 대학의 과학자들에 의한 새로운 획기적인 기술은 향후 매우 비용 효율적인 적외선 카메라로 이어질 수 있다. 그러면 적외선 카메라를 휴대폰과 같은 일반 소비자 전자 제품에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 센서로 자율 차량이 주변 환경을 보다 정확하게 파악할 수 있다. 적외선 카메라를 만드는 전통적인 방법은 재료와 시간면에서 매우 많은 비용이 든다. 그러나 이 방법은 훨씬 빠르며 우수한 성능을 제공한다 (Nature Photonics, "Dual-band infrared imaging using stacked colloidal quantum dot photodiodes") 오늘날의 적외선 카메라는 여러 층의 반도체를 연속적으로 배치하여 제작된다. 까다롭고 오류가 발생하기 쉬운 프로세스로 대부분의 소비 전자 제품에 들어가는데 너무 비싸다. 연구팀은 이러한 반도체를 크기는 수 나노 미터에 불과한 초소형 나노 입자인 양자점으로 대체했다. 이 스케일에서 그들은 크기에 따라 변하는 특이한 특성을 가지고 있는데, 과학자들은 입자를 올바른 크기로 조정함으로써 제어할 수 있다. 이 경우 양자점은 적외선 파장을 포착하도록 조정할 수 있다. 이 '조정 가능성'은 적외선 스펙트럼의 다른 부분을 픽업해야 하기 때문에 카메라에서 중요하다. 적외선 내에서 여러 파장을 수집하면 더 많은 스펙트럼 정보를 얻을 수 있다. 이는 흑백 TV에 컬러를 추가하는 것과 같다. 단파는 조직과 화학 성분 정보를 제공하며 중간 파장은 온도를 제공한다. Machine learning reveals hidden turtle pattern in quantum fireworks edited by kcontents 그들은 단파 적외선과 중간파 적외선을 검출하는 공식을 갖기 위해 양자점을 조정했다. 그런 다음 그들은 실리콘 웨이퍼 위에 두가지 양자점들을 증착했다. 이에 따른 카메라는 매우 잘 작동하며 제작하기가 훨씬 쉽다. 이것은 매우 간단한 과정이다. 비커를 사용해 용액을 주입하고, 두 번째 용액을 주입해 5 ~ 10 분을 기다리면 되는 단순한 공정으로 기능적 장치을 쉽게 제작할 수 있는 새로운 용액을 얻을 수 있다. 저렴한 적외선 카메라에 대한 많은 잠재적인 용도가 있다고 과학자들은 말했다. 자율 차량은 도로 및 주변을 스캔하기 위해 센서에 의존한다. 적외선은 생명체의 열 신호를 감지하여 안개를 통해 볼 수 있으므로 자동차 엔지니어는 이를 포함시키고 싶지만 비용은 엄청나다. 오늘 실험실에서 적외선 탐지기를 구입하려면 2 만 5 천 달러 이상이 든다. 그러나 개발된 장치는 많은 분야에서 매우 유용할 것이다. 예를 들어, 단백질은 적외선에서 신호를 내보내고, 이를 쉽게 추적할 수 있을 것이다. ndsl.kr |
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But infrared cameras are much more expensive than visible-light ones; the energy of infrared light is smaller than visible light, making it harder to capture. A new breakthrough by scientists with the University of Chicago, however, may one day lead to much more cost-effective infrared cameras – which in turn could enable infrared cameras for common consumer electronics like phones, as well as sensors to help autonomous cars see their surroundings more accurately.
"Traditional methods to make infrared cameras are very expensive, both in materials and time, but this method is much faster and offers excellent performance," said postdoctoral researcher Xin Tang, the first author on a study which appeared in Nature Photonics ("Dual-band infrared imaging using stacked colloidal quantum dot photodiodes").
"That's why we're so excited about the potential commercial impact," said co-author Philippe Guyot-Sionnest, a professor of physics and chemistry.
Photos taken by researchers testing a new method to make an infrared camera that could be much less expensive to manufacture. (Image: Xin Tang et al)
Today's infrared cameras are made by successively laying down multiple layers of semiconductors--a tricky and error-prone process that makes them too expensive to go into most consumer electronics.
Guyot-Sionnest's lab instead turned to quantum dots – tiny nanoparticles just a few nanometers in size. At that scale they have odd properties that change depending on their size, which scientists can control by tuning the particle to the right size. In this case, quantum dots can be tuned to pick up wavelengths of infrared light.
This 'tunability' is important for cameras, because they need to pick up different parts of the infrared spectrum. "Collecting multiple wavelengths within the infrared gives you more spectral information--it's like adding color to black-and-white TV," Tang explained. "Short-wave gives you textural and chemical composition information; mid-wave gives you temperature."
They tweaked the quantum dots so that they had a formula to detect short-wave infrared and one for mid-wave infrared. Then they laid both together on top of a silicon wafer.
The resulting camera performs extremely well and is much easier to produce. "It's a very simple process," Tang said. "You take a beaker, inject a solution, inject a second solution, wait five to 10 minutes, and you have a new solution that can be easily fabricated into a functional device."
There are many potential uses for inexpensive infrared cameras, the scientists said, including autonomous vehicles, which rely on sensors to scan the road and surroundings. Infrared can detect heat signatures from living beings and see through fog or haze, so car engineers would love to include them, but the cost is prohibitive.
They would come in handy for scientists, too. "If I wanted to buy an infrared detector for my laboratory today, it would cost me $25,000 or more," Guyot-Sionnest said. "But they would be very useful in many disciplines. For example, proteins give off signals in infrared, which a biologist would love to easily track."
Source: University of Chicago
https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=52314.php
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