▲ (右부터) 화학연 송우석 책임연구원과 이도형 학생연구원이 위상결정절연체 광센서 소재를 개발하고 저비용 제조 공정을 통해 6인치 웨이퍼에 균일한 생산이 가능해졌다.

국내 연구진이 가시광선부터 원적외선까지 통합 감지하고 고온·고습 환경에서도 안정적인 차세대 광대역 센서 소재를 개발, 자율주행차·군사 드론·IoT 장치 등 다양한 제품에 적용돼 기존 외산 센서를 대체하고 국산 시장 확대와 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 송우석 박사와 성균관대학교(총장 유지범) 윤대호 교수 공동 연구팀이 기존 상용 소재보다 넓은 파장의 빛을 감지할 수 있는 차세대 광센서 소재를 개발하고, 이를 6인치 대면적 기판에 저비용으로 합성하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

광센서는 감지 파장에 따라 스마트 제품·보안·기후 환경·의료 등 다양한 용도로 쓰인다. 기존에는 가시광, 근적외선, 중·원적외선 센서가 따로 존재해 자율주행차나 군사용 드론 등에는 여러 센서를 탑재해야 했다.

광대역 센서는 여러 파장을 통합 감지하는 차세대 광센서로, 기존 2차원 소재는 가시광선~근적외선만 감지 가능했으며, 중·원적외선은 감지하지 못하고 습기·온도 변화에 취약해 일부 환경에서는 사용이 제한됐다.

이번 연구에서 개발된 광대역 센서 소재는 가시광부터 원적외선까지 통합 감지가 가능하며, 고온·고습 환경에서도 안정성을 확보해 여러 센서가 필요한 제품의 구조 단순화와 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 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 소재다.

위상결정절연체 구조는 장파장 빛(중적외선, 원적외선)도 감지할 수 있으며, 기존 2차원 소재 대비 약 8배 넓은 범위(0.5~9.6㎛)를 감지하고 사람 손가락의 미세 열(원적외선)까지 감지하는 고감도 특성을 가진다. 또한 얇고 가벼우며, 고온·고습·수중 환경에서도 안정성을 확보했다.

제조 공정도 간단하다. 기존 위상결정절연체는 너무 예민해 고가의 초고진공 장비가 필요했지만, 연구팀은 덜 예민하면서도 위상 특성을 내는 소재를 설계해 용액 공정 기반 열분해 방식으로 6인치 웨이퍼에 균일하게 생산할 수 있도록 했다. 기존 반도체 공정과 호환돼 제조 비용 절감과 양산화에도 유리하다.

연구팀은 현재 이 기술을 8인치 이상 대면적으로 확장하고, 센서 배열과 회로 집적화를 통한 완성형 모듈 개발을 추진 중이다. 송우석 박사는 “자율주행차, 군사 드론, 스마트워치, IoT 보안장치 등 다양한 기기를 모두 커버할 수 있다”고 설명했다.

이영국 화학연 원장은 “이번 연구로 고가 외산 센서를 대체하는 국산 고성능 광대역 센서 시대를 열 수 있을 것”이라고 기대했다.