[대구=뉴시스] 박준 기자 = 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇및기계전자공학과 한상윤·유재석 교수 공동 연구팀은 반도체 제조 공정을 활용해 머리카락 굵기보다 작은 초소형 광(光) 초음파 센서를 세계 최초로 개발했다고 1일 밝혔다.
이 센서는 대상 물체에 직접 닿지 않고 공기를 통해 전달되는 메가헤르츠(㎒)급 초음파를 정밀하게 잡아낼 수 있어 반도체나 이차전지 내부의 결함을 찾아내는 비파괴검사 기술에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
연구팀은 빛을 이용해 소리(초음파)의 미세한 떨림을 읽어내는 광학식 방식으로 연구를 수행했다.
또한 반도체 산업에서 널리 쓰이는 실리콘 포토닉스 기술을 활용해 빛이 지나가는 광 회로와 소리에 의해 진동하는 미세 기계 구조물(초박막 캔틸레버)을 단일 반도체 칩 위에 함께 구현했다.
초음파가 센서에 닿아 미세 기계 구조물을 위아래로 진동시키면 그 옆을 지나는 빛의 파장과 세기가 미세하게 변하게 된다.
센서는 이 빛의 변화를 읽어내 초음파 신호로 변환한다. 기존 광학 센서들처럼 부피가 큰 렌즈 부품이나 복잡한 조립 공정 없이 단일 반도체 공정만으로 광-기계식 초음파 수신기를 하나의 칩에 완성한 것은 이번이 세계 최초다.
개발된 센서는 감지부 크기가 0.0004㎟(가로 30㎛×세로 13.5㎛)로 머리카락 굵기보다 작으면서도 압도적인 성능을 보인다.
상용화된 기존 초음파 센서와 비교한 결과 유효 감지 면적당 수신 응답이 무려 2만5000배 이상 높게 측정됐다. 공기 중 신호 감쇠라는 물리적 한계를 초고감도 설계로 극복한 것이다.
특히 이 기술은 기존 8인치 실리콘 웨이퍼 반도체 파운드리(위탁 생산) 인프라를 그대로 활용해 대량 생산할 수 있다는 큰 장점이 있다.
설계 도면만 바꾸면 다양한 주파수의 센서를 하나의 웨이퍼에 동시에 새겨 넣을 수 있어 통신 중심이던 실리콘 포토닉스 생태계를 산업용 계측과 의료 영상 분야로 확장하는 핵심 독자 기술이 될 전망이다.
한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단 사업의 지원을 받아 수행됐다.
DGIST 한상윤·유재석 교수와 KAIST 김정원 교수가 교신저자로 DGIST 남상우 석박사통합과정생과 김재현 박사가 공동 제1저자로 참여했으며 전남대학교 이창호 교수 연구팀이 공동 수행한 이번 연구 결과는 광학 분야 국제 저명 학술지인 Photonics Research(포토닉스 리서치)에 9월 게재됐다.
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