외계행성 탐사부터 환경·의료·국방 응용까지…CMOS 기반 저비용 센서 시대 연다
KAIST(총장 이광형) 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 냉각 없이 상온에서 동작 가능하고, 실리콘 기반 CMOS 공정과도 호환되는 차세대 중적외선 광검출기를 개발했다. 해당 기술은 외계행성 대기 분석에 활용되는 우주 망원경 수준의 고감도 센싱을 실현하면서도, 의료 진단, 환경 모니터링, 산업 공정 및 국방·보안 분야까지 다양한 분야에 즉시 응용 가능하다는 점에서 주목받고 있다.
기존 중적외선 광검출기는 열적 잡음 문제로 인해 대부분 액체 질소나 냉각 시스템을 필요로 했다. 이는 센서의 크기와 비용을 키워 상용화 및 휴대형 기기에 적용하는 데 큰 제약이 되어왔다. 또한, 기존 센서들은 실리콘 기반 CMOS 공정과 호환되지 않아 대량생산이 어려운 문제가 있었다.
KAIST 김상현 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 저마늄(Ge) 기반의 도파로형(waveguide-integrated) 광검출기를 설계했다. 볼로메트릭 효과와 자유-캐리어 흡수 원리를 결합하여, 상온에서도 중적외선 전 영역을 안정적으로 감지할 수 있는 기술을 구현했다.
볼로메트릭 효과 활용, 13μm 이상 대역까지 고감도 탐지
새롭게 개발된 센서는 도핑된 저마늄을 기반으로 열 변화에 따른 전기적 저항을 감지하는 볼로메트릭 효과를 활용한다. 여기에 CMOS 공정에서 널리 사용되는 타이타늄산화물(TiOx) 기반 고감도 재료를 적용함으로써, 약 4.26%/K의 높은 온도계수(TCR)를 달성했으며, 4μm 이상 중적외선 파장에서 28.35%/mW의 세계 최고 수준 광응답도(Responsivity)를 구현했다.
특히 센서는 약 13μm 파장까지 대응 가능해 다양한 분자의 고유 ‘흡수 지문(fingerprint)’을 정밀하게 인식할 수 있으며, 동시에 멀티스펙트럼 감지도 가능하다.
연구진은 본 기술을 통해 센서 칩 내부에서 적외선 흡수 분광법 기반의 실시간 이산화탄소(CO₂) 검출에도 성공했다. 해당 센서는 복잡한 냉각 장비나 분광기 없이 온칩(on-chip) 구조로 구현되었으며, 이는 세계 최초의 CMOS 공정 호환 중적외선 도파로형 가스 센싱 광검출기이다.
이를 통해 환경 분야에서는 대기질 모니터링, 산업 공정에서는 유해가스 감지 및 품질 관리, 의료 현장에서는 호기 진단 등으로의 응용이 기대되며, 국방 분야에서는 화학 무기 감지, 열영상 카메라, 드론 감시 시스템 등으로 확장될 수 있다.
상온 동작과 CMOS 호환성으로 대량생산·상용화 길 열려
김상현 교수는 “이번 연구는 기존 중적외선 센서 기술이 가진 근본적인 한계를 극복한 획기적 기술로, 저비용 대량생산이 가능해 산업계에 미치는 파급력이 매우 크다”고 밝혔다. 실제로 이번 기술은 기존 반도체 공정 라인에서 대량 생산이 가능하며, 소형화와 저전력 구동이 가능해 스마트폰, 웨어러블 디바이스, IoT 센서 네트워크 등에도 적용 가능성이 높다.
해당 연구는 하버드대 심준섭 박사(제1저자, KAIST 박사 졸업)가 공동으로 참여했으며, 국제 저명 학술지 『Light: Science & Applications』(IF=20.6, JCR 상위 2.9%)에 2025년 3월 19일 자로 게재되었다.
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