화학연, 다양한 빛 통합감지 '광대역 감지센서' 개발

위상결정절연체 활용해 기존 상용 광센서 단점 극복

의료·환경·국방분야 활용 가능, 차세대 적외선 센서 플랫폼

[대전=뉴시스] 화학연구원이 위상결정절연체 기반 광대역 광센서 소재를 개발했다. 완성된 위상결정절연체 광 센서 소재를 광대역 광 센서 성능평가 장비에 결합시키는 모습.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 다양한 빛을 통합감지할 수 있는 광대역 감지센서 소재가 개발됐다.

한국화학연구원은 박막재료연구센터 송우석 박사팀이 성균관대학교 윤대호 교수팀과 공동연구룰 통해 다양한 파장의 빛을 감지할 수 있는 차세대 통합광(光)센서 소재를 개발하고 이를 6인치 대면적 기판에 저렴하게 합성하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.

광센서는 감지하는 빛의 파장에 따라 스마트 제품·보안·기후 환경·의료 등 여러 용도의 센서로 나눠진다.

현재는 가시광, 근적외선, 중·원적외선 센서가 각각 따로 존재해 자율주행차·군사용 드론 같은 제품에 여러 센서를 탑재해야 했다.

광대역 센서는 여러 파장을 통합 감지하는 차세대 광센서로 기존 광대역 광센서의 2차원 소재는 가시광선부터 근적외선까지 감지할 수 있다. 하지만 중·원적외선은 감지할 수 없고 습기·온도 변화에 쉽게 변질돼 야외·군사용 등 일부 환경에서 쓰기 힘들었다.

이번에 화학연이 개발한 광대역 광센서 소재는 가시광선부터 원적외선까지 모든 영역을 통합 감지하며 고온·고습 환경에서도 안정성이 높다. 또 여러 센서가 필요했던 제품을 단순화할 수 있어 비용 절감도 가능하다. 

이를 위해 연구팀은 기존 2차원 반도체 '주석-셀레나이드 화합물(SnSe)'에 텔루륨(Te) 원자를 섞은 위상결정절연체(SnSe0.9Te0.1)를 활용했다. 위상결정절연체 소재는 더 넓은 파장의 통합감지가 가능하고 안정성도 높은 차세대 광대역 광센서 소재다.

연구팀에 따르면 기존 2차원 평면 구조 소재의 센서는 밴드갭(감지 문턱)이 커 힘이 센 가시광선은 전자를 점프시켜 감지했지만 에너지가 작은 '장파장 적외선'은 전자를 점프시킬 수 없어 감지할 수가 없다.

반면 위상결정절연체 구조는 밴드갭이 낮아 장파장 빛(중적외선, 원적외선)도 충분히 전자를 움직이게 할 수 있다.

이번 소재는 기존 2차원 소재 센서에 비해 약 8배 이상 넓은 범위(0.4~1.2→0.5~9.6마이크로미터(㎛))를 감지하는 광대역 특성과 사람 손가락의 미세 열(원적외선)도 감지하는 고감도 특성을 갖췄다. 또한 얇고 가벼우며 고온·고습·수중 환경 안정성도 높고  제조 공정도 간단하다.

특히 용액을 떨어트려 굳히는 저비용의 용액 공정 기반 열분해 방식을 활용, 손바닥 크기의 6인치 웨이퍼에 균일한 생산이 가능해졌으며 기존 반도체 공정과도 호환이 가능해 상업화에 유리하다.

연구팀은 현재 이 기술을 8인치 이상 대면적으로 확장하고 센서 배열·회로 집적화를 통한 완성형 센서 모듈로 고도화 중이다.

 송우석 박사는 "이 센서는 자율주행차, 군사 드론, 스마트워치, 가정용 사물인터넷(IoT) 보안장치 등에 모두 적용할 수 있다"고 밝혔고 이영국 화학연 원장은 "다파장 통합 광대역 센서 시장에서 고가의 기존 외국산 센서를 대체, 국산 고성능 광대역 센서 시대를 여는 전환점이 될 것"이라고 기대했다.


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