미 항공우주국(NASA) 제임스웹 우주망원경(JWST)은 중적외선 스펙트럼을 활용해 외계 행성 대기 수증기, 이산화황 등 분자 성분을 정밀 분석한다. 그 핵심이 아주 약한 빛 세기까지 정밀 측정할 수 있는 고감도 광검출기 기술이다.
이런 가운데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 중적외선 스펙트럼의 넓은 영역을 감지할 수 있는 혁신적 광검출기 기술을 개발했다.
KAIST는 김상현 전기 및 전자공학부 교수팀이 상온에서 안정적으로 동작하는 중적외선 광검출기 기술을 개발, 초소형 광학 센서 상용화에 새로운 전환점을 마련했다고 27일 밝혔다.
개발한 광검출기는 기존 실리콘 기반 상보형금속산화반도체(CMOS) 공정을 활용해 저비용 대량 생산이 가능하며, 상온에서 안정적으로 동작하는 것이 특징이다.
연구팀은 이 광검출기를 적용한 초소형·초박형 광학 센서로 이산화탄소 가스 실시간 검출에 성공, 환경 모니터링 및 유해가스 분석 등 다양한 응용 가능성을 입증했다.
기존 중적외선 광검출기는 상온에서 높은 열적 잡음이 생겨 냉각 시스템이 요구된다. 장비 크기와 비용을 증가시켜, 센서 소형화가 어렵다. 또 기존 중적외선 광검출기는 실리콘 기반 CMOS 공정과 호환되지 않아 대량생산이 어렵고 상용화도 제한됐다.
이에 연구팀은 저마늄 반도체 기반 광학 플랫폼을 활용해, 새로운 형태의 도파로형 광검출기를 개발했다. 도파로는 빛을 특정 경로로 손실 없이 유도하는 구조물이다. 다양한 온-칩 기능의 광학 회로를 구현하려면 도파로 기반 광학 소자 개발이 필수다.
이번 기술은 기존에 광검출기 동작에 볼로미터 효과(빛을 흡수하면 온도가 올라가고, 전기 신호가 달라지는 원리)를 활용해 중적외선 스펙트럼 영역 전체를 대응할 수 있다. 다양한 종류의 분자 실시간 센싱에 활용될 수 있다.
개발한 상온 동작 및 CMOS 공정 호환 중적외선 도파로형 광검출기는 냉각 필요성, 대량 생산 어려움, 고비용 문제를 해결한다.
김상현 교수는 “CMOS 공정과 호환되는 센서 기술로, 저비용 대량생산이 가능해 차세대 환경 모니터링 시스템, 스마트 제조 현장 등에서 적극 활용될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 심준섭 박사(현 하버드대 박사후 연구원)가 제1 저자로 참여해 '빛, 과학과 응용'에 3월 19일 자 발표됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
