카이스트 '도파로'형 광검출기 개발... 기존 기술 한계 극복했다

[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 김상현 카이스트 전기및전자공학부 교수 연구팀이 상온에서 안정적으로 동작하는 중적외선 광검출기 기술을 개발했다. 

기존 중적외선 광검출기는 상온에서의 높은 열적 잡음(Thermal noise)으로 인해 냉각 시스템을 요구한다. 이러한 냉각 시스템은 장비의 크기와 비용을 증가시키기 때문에 센서의 소형화 및 휴대용 기기 응용을 어렵게 만든다. 또한 기존 중적외선 광검출기는 실리콘 기반 CMOS 공정과 호환되지 않아 대량생산이 어렵고 상용화가 제한됐다.

이러한 상황에서, 연구팀은 실리콘과 같은 주기율표 4족 원소인 저마늄(Germanium)  반도체를 기반으로 한 광학 플랫폼을 활용한 도파로형(waveguide-integrated) 광검출기를 개발했다. 

‘도파로’란 빛을 특정한 경로로 손실 없이 효과적으로 유도하는 구조물을 의미한다. 온-칩(on-chip) 상에서 다양한 기능의 광학 회로를 구현하기 위해서는 도파로형 광검출기를 포함해 도파로를 기반으로 하는 광학 소자의 개발이 필수적이다. 

연구팀이 개발한 광검출기는 기존 실리콘(Silicon) 기반 CMOS 공정을 활용했다. 저비용 대량 생산이 가능한 동시에 상온에서 안정적으로 동작하는 것이 특징이다. 연구팀은 이를 적용한 초소형·초박형 광학 센서를 이용해 이산화탄소(CO2) 가스를 실시간으로 검출하는 데 성공했다. 이를 통해 환경 모니터링 및 유해가스 분석 등 다양한 응용 가능성을 입증했다.

이번에 개발된 기술은 광검출기 동작에 통상적으로 활용되는 밴드갭 흡수 원리와는 달리 ‘볼로미터 효과(Bolometric effect)’를 활용했다. 이는 빛을 흡수하면 온도가 올라가고, 그 온도 변화에 따라 전기적인 신호가 달라지는 원리다. 이를 통해  중적외선 스펙트럼 영역 전체에 대응할 수 있게 됐다. 이는 다양한 종류의 분자들의 실시간 감지에 도움이 된다. 

카이스트 측은 “이번 연구는 환경 모니터링, 의료 진단, 산업 공정 관리, 국방 및 보안, 스마트 디바이스 등 다양한 응용 분야에 적용 가능하다”며 “이는 차세대 중적외선 센서 기술의 핵심적인 돌파구를 제공할 것으로 기대된다”고 전했다. 

김 교수는 “이번 연구는 기존 중적외선 광검출기 기술의 한계를 극복한 새로운 접근 방식이며 향후 다양한 응용 분야에서 실용화될 가능성이 매우 크다”며 “특히 CMOS 공정과 호환되는 센서 기술로, 저비용 대량생산이 가능해 차세대 환경 모니터링 시스템, 스마트 제조 현장 등에서 적극 활용될 것”이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다.