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한국과학기술원(KAIST) 전기·전자공학부 김상현 교수팀은 상온에서 안정적으로 동작하는 중적외선 분석기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 초소형 광학 센서에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

미국 항공우주국(NASA)의 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 가시광선보다 우주의 먼지와 가스구름을 뚫고 더 멀리 가는 긴 파장의 중적외선 대역까지 포착, 외계행성 대기의 수증기, 이산화황 등 분자 성분을 정밀하게 분석할 수 있다.

핵심은 매우 약한 빛의 세기까지 포착할 수 있는 고감도 광검출기 기술이다.

다만 상온에서 열적 잡음이 높아 액체 질소 등 냉각시스템이 필요하기 때문에 비용이 많이 들고 소형화가 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 가장 널리 쓰이는 반도체 소재인 실리콘과 같은 주기율표 4족 원소로서 중적외선 대역에서 우수한 광학적 특성을 보이는 저마늄을 활용해 상온에서 안정적으로 동작할 수 있는 광검출기를 개발했다.

볼로메트릭 효과(빛 흡수에 의한 온도 변화에 따라 전기 저항이 변화하는 현상)를 이용해 특정 파장 대역의 빛만 흡수하는 밴드갭(전자의 에너지 차이) 방식과 달리 중적외선 전 영역을 커버할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

일반적으로 활용하는 반도체 공정인 '상보성 금속 산화막 반도체' (CMOS) 공정을 활용해 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다.

실제 개발한 광검출기를 적용해 초소형 광학 센서를 개발, 이산화탄소를 실시간으로 검출하는 데 성공했다.

개발한 광검출기를 이용해 이산화탄소를 검출한 결과 ⓒKAIST 제공

환경 모니터링, 의료 진단, 산업 공정 관리, 국방·보안, 스마트 디바이스 등 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다.

김상현 교수는 "CMOS 공정과 호환되는 센서 기술로, 저비용으로 대량생산이 가능해 차세대 환경 모니터링 시스템, 스마트 제조 현장 등에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '빛, 과학과 응용' (Light: Science & Applications) 지난 19일 자에 실렸다.

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