아주대학교 연구진이 기존의 상용 적외선 센서 대비 우수한 성능을 가진 근적외선 광센서를 개발했다.
17일 아주대에 따르면 서형탁 아주대 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 광흡수에 의해 급격한 절연체-금속 전이가 발생하는 ‘모트 전이’ 효과로 기존 상용 적외선 센서를 능가하는 성능을 갖는 이산화바나듐 기반 근적외선 광센서를 개발했다.
이번 연구에는 아주대 쿠마 모히트 교수(대학원 에너지시스템학과, 제1저자)와 임석원·김지수 학생(대학원 에너지시스템학과, 공저자)이 함께 참여했다.
빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과를 기반으로 하는 광센서는 신재생 에너지와 정보통신, 사물 인터넷, 광통신 따위 분야에서 필수적으로 사용하는 부품이다.
그중에서도 근적외선 광 검출은 ▶자율주행 차량의 전방 센서 ▶의료 분야의 열화상 측정 ▶야간 투시를 비롯한 우주·군사 시설 ▶물체 이동 감지 센서 ▶태양전지 들에 활용한다.
아주대 연구팀은 광센서를 개발하고자 모트 전이 소재인 이산화바나듐에 주목했다.
이산화바나듐은 미세한 외부 자극(온도, 빛, 전압)에 의해 소재의 전도성이 절연체에서 도전체로 급격히 변화한다(양자역학적 전이). 또 외부 자극 전후의 온·오프 전류비가 최대 1만 배 이상으로, 스위칭 속도가 실리콘보다 빠르다.
하지만 소재로서 여러 장점에도 불구하고, 반도체 호환 공정으로 이산화바나듐 박막을 실리콘 웨이퍼 상부에 형성하는 기술은 아직 개발하지 못했다.
이산화바나듐은 바나듐이 산소와 결합해 만들어지는 다양한 산화물 조성 중 한 가지로, 불안정하고 형성이 매우 어렵다. 대부분의 경우 여러 산화물 조성이 혼합되며 모트 전이 특성이 약화되거나 사라지게 된다.
아주대 연구팀은 집적회로 양산공정에서 기존에 널리 활용되는 원자층 증착 기술을 이용해 안정적인 스위칭을 얻는 이산화바나듐 초박막(박막 두께 약 10㎚/나노미터는 미터의 십억분의 일에 해당)을 실리콘 기판 위에 구현하는 데 성공했다.
그리고 이를 거쳐 실리콘과 이산화바나듐으로 구성된 포토 다이오드 소자를 제조했다. 이렇게 개발한 센서는 피코암페어의 암전류를 가지며 근적외선 광입사에 대해 초고감도·최고 수준의 검출 성능을 보였다.
아주대 연구팀은 새로 개발한 광센서를 이용해 노이즈 영상 패턴을 명확히 구분하는 지능형 이미지 검출을 시연해냈다.
서형탁 교수는 "그동안 구현이 불가능했던 초고감도 근적외선 검출을 새로운 소재와 공정 방식으로 실리콘 기판 위에서 반도체 호환 공정으로 실현했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 있다"며 "이 방식을 응용하면 기존의 실리콘 집적 회로 공정에 접목해 우수한 성능의 광센서 구현이 가능하다"고 했다.
김강우 기자 kkw@kihoilbo.co.kr
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