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[IT뉴스]소재 한계 극복한 실리콘 단파장 적외선 센서…자율주행·정찰드론·양자컴퓨팅 기대

온카뱅크관리자

2026-09-22 12:07:25

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 <img alt="기존 실리콘 광센서와 실리콘 핫캐리어 광센서를 비교한 그림. 일반 실리콘 광센서는 주로 눈에 보이는 가시광만을 감지해 어둠이나 안개·연기 속에서 물체를 구분하기 어렵지만 실리콘 핫캐리어 광센서는 단파장 적외선 영역까지 감지할 수 있어 가시광으로 잘 보이지 않는 환경에서도 물체를 보다 뚜렷하게 확인할 수 있다. KIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/22/dongascience/20260922120155797vkda.png" data-org-width="680" dmcf-mid="HbSszyOcMB" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/22/dongascience/20260922120155797vkda.png" width="658">
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 기존 실리콘 광센서와 실리콘 핫캐리어 광센서를 비교한 그림. 일반 실리콘 광센서는 주로 눈에 보이는 가시광만을 감지해 어둠이나 안개·연기 속에서 물체를 구분하기 어렵지만 실리콘 핫캐리어 광센서는 단파장 적외선 영역까지 감지할 수 있어 가시광으로 잘 보이지 않는 환경에서도 물체를 보다 뚜렷하게 확인할 수 있다. KIST 제공
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 기존 반도체 공정과 호환돼 가성비가 뛰어난 실리콘 기반 단파장 적외선(SWIR) 센서가 개발됐다. 자율주행 센서와 정찰용 드론·위성 관측뿐 아니라 향후 양자컴퓨팅 기술까지 응용될 것으로 기대된다.
 한국과학기술연구원(KIST)은 차세대반도체연구소 양자기술연구단 이민호 선임연구원·박민철 책임연구원 연구팀이 실리콘 기반 단파장 적외선 이미지 센서를 개발했다고 22일 밝혔다. 반사방지 코팅을 적용해 적외선 검출 성능을 높인 뒤 실제 영상 구현에도 성공했다. 연구결과는 4월 30일 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'에 온라인으로 공개됐다.
 단파장 적외선 이미지 센서는 안개·연기·어둠 등 시야가 제한돼 일반 카메라로 보기 어려운 상황에서도 정보를 포착할 수 있어 산업·의료·국방 분야에서 잠재력이 크다. 현존 단파장 적외선 센서는 고가의 화합물 반도체가 쓰여 제조 비용이 높고 대량생산도 어렵다는 점이 발목을 잡는다. 이미지 해상도와 품질도 기존 실리콘 기반 센서보다 낮다는 평가다.
 스마트폰 카메라에 흔히 탑재되는 실리콘 이미지 센서는 기존 실리콘 반도체 공정과 호환돼 품질이 우수하고 대량생산이 용이하지만 가시광선과 근적외선 영역까지만 효율적으로 감지할 수 있어 단파장 적외선 센서 활용에 한계가 있었다. 실리콘의 소재 특성상 적외선을 직접 흡수하지 못하기 때문이다.
 연구팀은 금속이 적외선을 흡수하면 고에너지 전자인 '핫 캐리어'가 발생한다는 점에 주목했다. 에너지가 충분한 전자가 금속과 실리콘 사이의 에너지 장벽을 넘어 이동할 때 전류가 흐르는데 이를 포착하는 원리다. 실리콘이 직접 흡수하지 못하는 적외선을 전기 신호로 변환해 감지하는 아이디어다.
 단파장 실리콘 센서는 금속 표면에 적외선이 반사되면 빛을 충분히 흡수하지 못해 검출 성능이 떨어진다는 점이 해결 과제다. 연구팀은 얇은 구리 전극 위에 비정질 실리콘을 쌓는 반사방지 코팅을 적용했다. 비정질 실리콘은 원자들이 규칙적인 결정 구조 없이 배열된 형태를 말한다. 실리콘을 사용해 기존 반도체 공정과의 호환성을 줄이면서도 빛 반사를 억제해 적외선 흡수율을 높인 것이다.
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 <img alt="반사방지 코팅 적용에 따른 실리콘 핫 캐리어 광센서의 단파장 적외선 감지 및 이미지 성능 향상. 반사를 줄이고 광 흡수를 증가시켜 단파장 적외선 영역의 빛 감지 성능이 기존보다 평균 약 1.8배 향상됐다. 실제 이미징에서도 더 뚜렷한 영상이 구현됐다. KIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/22/dongascience/20260922120157086adlt.png" data-org-width="680" dmcf-mid="ZmZN5mjJiz" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/22/dongascience/20260922120157086adlt.png" width="658">
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 반사방지 코팅 적용에 따른 실리콘 핫 캐리어 광센서의 단파장 적외선 감지 및 이미지 성능 향상. 반사를 줄이고 광 흡수를 증가시켜 단파장 적외선 영역의 빛 감지 성능이 기존보다 평균 약 1.8배 향상됐다. 실제 이미징에서도 더 뚜렷한 영상이 구현됐다. KIST 제공
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 금속이 흡수하는 적외선이 증가하면 핫 캐리어가 더 많이 생기고 전기 신호도 강해진다. 전극 재료에 따라 기존 구조보다 광감도가 평균 1.8배, 최대 3배까지 향상됐다. 연구팀은 개발된 소자로 단파장 적외선 영상까지 구현하는 데 성공했다.
 이번 연구성과는 고가의 화합물 반도체에 의존하던 적외선 이미지센서를 저비용·대량생산에 유리한 실리콘 기반으로 구현했다는 평가를 받는다. 상용화 시 자율주행과 다크 팩토리 등 산업 환경과 드론 정찰 등 국방 분야에 두루 쓰일 것으로 기대된다. 또 KIST가 개발 중인 차세대 컴퓨팅 소자인 양자광집적회로(QPIC) 기반의 양자컴퓨팅까지 확장할 수 있다는 설명이다.
 기술 상용화를 위한 후속 과제로 단일 소자의 효율을 향상, 잡음 개선, 대면적 공정 적용성 검증, 장기 신뢰성 확보 등이 제시됐다.
 박 책임연구원은 "복잡한 나노구조 없이 반사방지 코팅만으로 적외선 검출 성능을 높인 것이 핵심"이라며 "공정이 단순하고 기존 반도체 제조공정과 호환성이 높아 차세대 적외선 광센서와 광전자 소자 상용화에 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.
 이 선임연구원은 "의료·산업 검사와 국방 감시·정찰 등으로 활용 범위를 넓히고 양자광집적회로 기반 양자컴퓨팅에 필요한 집적 광소자 기술로 발전시키겠다"고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1002/advs.75474
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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