[충청뉴스 이성현 기자] 다양한 빛을 통합 감지하는 차세대 센서 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국화학연구원은 송우석 박사가 성균관대학교와 기존 상용 소재보다 다양한 파장의 빛을 감지할 수 있는 차세대 광(光)센서 소재를 개발하고, 이를 6인치 대면적 기판에 저렴하게 합성하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.
광센서는 감지하는 빛의 파장에 따라 스마트 제품·보안·기후 환경·의료 등 여러 용도의 센서로 나눠진다.
지금까지는 가시광, 근적외선, 중·원적외선 센서가 각각 따로 존재해, 자율주행차·군사용 드론 같은 제품에 여러 센서를 탑재해야 했다. 한편 광대역 센서는 여러 파장을 통합 감지하는 차세대 광센서다.
기존 광대역 광센서의 2차원 소재는 가시광선부터 근적외선까지 감지할 수 있었다. 다만 중·원적외선은 감지할 수 없고, 습기·온도 변화에 쉽게 변질되어 야외·군사용 등 일부 환경에서 쓰기 힘들었다.
이번에 개발된 광대역 광센서 소재는 가시광선부터 원적외선까지 모든 영역을 통합 감지하며, 고온·고습 환경에서도 안정성이 높다. 여러 센서가 필요한 제품의 구조 단순화 및 비용 절감이 가능하다. 예를 들어 자율주행차나 군사용 드론에서 주간 촬영·대상 인식용 가시광 센서, 거리 측정용 근적외선 센서(LiDAR), 야간 사람 감지용 중·원적외선 센서를 하나로 통합할 수 있다.
연구팀은 기존의 2차원 반도체 ‘주석-셀레나이드 화합물(SnSe)’에 텔루륨(Te) 원자를 섞은, 위상결정절연체(SnSe0.9Te0.1)를 활용했다.
위상결정절연체 소재는 양자소재의 하나로서, 더 넓은 파장의 통합 감지가 가능하고 안정성도 높은 차세대 광대역 광센서 소재이다.
기존 2차원 평면 구조 소재의 센서는 밴드갭(감지 문턱)이 커서, 힘이 센 가시광선은 전자를 점프시켜 감지가 가능했지만, 에너지가 작은 ‘장파장 적외선’은 전자를 점프시킬 수 없어 감지할 수 없었다.
반면 위상결정절연체 구조는 밴드갭이 낮아, 장파장 빛(중적외선, 원적외선)도 충분히 전자를 움직이게 할 수 있다. 마치 얼음 속을 이동하긴 어렵지만 위에서는 잘 미끄러지는 것처럼, 내부는 절연체 상태지만 표면은 전자가 매우 빠르게 움직일 수 있도록 만들어 준다.
그 덕분에 이번 소재는 기존 2차원 소재 센서에 비해 약 8배 이상 넓은 범위를 감지하는 광대역 특성과 사람 손가락의 미세 열(원적외선)도 감지하는 고감도 특성을 갖췄다. 또 얇고 가벼우며, 고온·고습·수중 환경 안정성도 높다.
간단한 제조 공정도 장점이다. 원래 위상결정절연체는 너무 예민해서 MBE 같은 고가의 초고진공 상태 제조 장비가 필요했는데, 연구팀은 덜 예민하면서도 위상 특성을 내는 소재(SnSe0.9Te0.1)를 설계했다.
덕분에 용액을 떨어트려 굳히는 저비용의 용액 공정 기반 열분해 방식으로 손바닥 크기의 6인치 웨이퍼에 균일한 생산이 가능해졌다. 기존 반도체 공정과도 호환되어 제조 비용 절감 및 양산에 유리하다.
연구팀은 현재 이 기술을 8인치 이상 대면적으로 확장하고, 센서 배열·회로 집적화를 통해 완성형 센서 모듈 개발을 추진 중이다.
송우석 박사는 “이 센서는 자율주행차, 군사 드론, 스마트워치, 가정용 IoT 보안장치까지 모두 커버할 수 있다”고 설명했다.
이영국 원장은 “다파장 통합 광대역 센서 시장에서 고가의 기존 외국산 센서를 대체하여 국산 고성능 광대역 센서 시대를 여는 전환점이 될 것”이라고 강조했다.
