아주대, 실리콘 반도체 소재 ‘초고감도 적외선 검출 소자’ 개발

아주대학교는 실리콘 반도체 기반의 ‘초고감도 적외선 광학 검출 소자’를 개발했다고 2일 밝혔다.

아주대에 따르면 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 반도체 결정 구조의 이완에 의해 발생하는 변전 효과를 이용해 우수한 성능을 가진 실리콘 기반 적외선 광센싱 소자를 개발하는데 성공했다.

빛을 전기 신호로 전환하는 ‘광전효과(빛에 의해 형성된 전자와 정공의 이동에 의해 광 전류를 감지하는 방식)’를 기반으로 하는 광센서는 신재생 에너지의 활용과 스마트폰을 비롯해 사물 인터넷과 광통신 등에서 필수적인 부품이다.

그 중에서도 적외선 광 검출은 활용 분야가 가장 넓어 의료 분야의 열화상 측정 및 야간투시 뿐만 아니라 자율주행 차량의 전방 센서와 물체 이동 감지 센서 등으로도 활용된다. 

적외선 광을 감지하기 위한 광센서의 동작 원리는 여러가지가 있지만, 적외선 직접 흡수에 의해 발생한 광전효과를 이용하는 방식이 가장 높은 감도를 보인다.

연구팀은 실리콘 반도체 소재에 미세 압력을 가하면 반도체가 빛을 흡수하기 위해 필요한 최소 에너지, 즉 ‘밴드갭’이 급격하게 감소한다는 점에 주목했다.

그동안 학계에서는 밴드갭을 낮추는 데 어려움을 겪어 갈륨비소 등 화합물로 이뤄진 반도체 소자를 이용했지만, 검출 감도가 낮고 가격대가 높다는 한계가 있었기 때문이다.

연구팀이 이번에 개발한 검출 소자는 1천620∼1천800나노미터(㎚·10억 분의 1m) 크기의 적외선 파장을 100마이크로초(㎲·100만분의 1초) 수준의 고속으로 검출할 수 있다.

서 교수는 "센서와 집적회로 반도체 소재로 널리 활용되는 범용 실리콘 소재를 이용해 기존에 불가능했던 적외선 검출을 초고감도로 달성한 것은 중요한 학문적·기술적 의의가 있다"며 "이 방식을 응용하면 고속·고감도 적외선 검출 소자를 기존의 실리콘 집적회로에 통합하는 것이 가능해지고, 저비용·고성능 사물 인터넷(IoT) 센서로 적용할 수 있다"고 설명했다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐으며, 특허 출원이 진행 중이다. 

전승표 기자 [e-mail]