주요 연구성과
NEW 서형탁 교수팀, 신체 손상 감지 가능한 근적외선 광센서 소자 개발
- 2020-09-15
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우리 학교 공동 연구팀이 신체 내 근육 조직의 손상을 감지할 수 있는 근적외선 이미지 센싱 소자를 개발했다. 이에 고감도·고효율의 센서가 필요한 의료진단용 이미징 장치에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진) 연구팀은 교류광전효과를 이용하여 검출률이 높고 응답 시간 또한 빠른 근적외선 이미지 센싱 소자를 개발했다. 관련 내용은 ‘광대역 교류 광전효과: 고성능 감지와 신체 통증 이미징 활용(Broadband alternating current photovoltaic effect: An application for high-performance sensing and imaging body aches)’이라는 논문으로 나노 분야 국제 학술지 <나노 에너지(Nano Energy), IF=16.602> 8월29일자 온라인판에 게재됐다. 우리 학교 박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과), 김상완 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원(제1저자)이 함께 참여했다.
광을 전기 신호로 전환하는 광전효과 기반의 광 센서는 대표적으로 태양전지 기술을 통해 널리 쓰이고 있다. 광 센서는 신재생 에너지 활용과 스마트폰, 사물인터넷(IoT), 광통신 등에서 필수적인 부품이다. 특히 의료 분야에서 다른 진단 방식에 비해 간편하게 진단 및 상시 모니터링을 할 수 있어 광 센서를 활용한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 의료 분야 중에서도 특히 광 센싱 기반으로 신체 내부의 근조직 손상을 이미징 방식으로 진단할 수 있는 기술 개발에 산업계·학계의 관심이 높다. 대표적으로 고도 화상 진단에 광 센싱 기술이 활용되고 있다.
이에 의료용 광 진단 분야에서 근적외선 활용에 대한 관심이 높다. 근적외선을 활용하면 낮은 광 손상과 깊은 조직 침투가 가능해 인체 내부 조직의 이미징에 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 이를 위해서는 미세한 근적외선 신호의 변화를 감지할 수 있는 고성능의 광 센서 개발이 필수적이다. 센서를 휴대할 수 있는 의료 진단 기기에 실제 적용하기 위해서는 높은 에너지 효율 또한 요구된다.
지금까지 근적외선 활용 광 센서에는 화합물 반도체 소자가 적용되어 왔다. 그러나 갈륨비소를 비롯한 화합물 반도체 소자는 가격이 매우 비싸고 근적외선 영역에서 검출 감도가 낮은 데다 성능이 떨어지는 한계를 보여왔다. 특히 의료 진단용으로 활용이 가능한 정도로 인체 내부 조직 손상을 감지, 이미지화할 수 있는 높은 감도를 구현하지는 못했다.
이에 아주대 연구팀은 근적외선 활용이 가능한 광 센서 소자를 개발하기 위해 고품질 이산화티타늄 산화물(TiO2) 나노 필름을 실리콘(Si) 기판 위에 적층하고 그 계면 특성을 제어하는 기술을 확보했다. 이와 동시에 은나노선을 이용하여 광학 응답성을 극대화하는 광 검출 소자 구조를 개발했다.
이를 통해 기존보다 훨씬 높은 스위칭 비율(≈1E4)과 높은 검출률(≈1E11 Jones), 빠른 응답 시간 (~ 120 μs)의 고성능 광 검출 소자를 구현하는 데 성공했다. 기존에 상용화된 근적외선 검출 소자에 비해 모든 면에서 훨씬 우수한 성능이다.
연구팀은 광 센서에 교류 광전류를 이용했는데, 빠르게 꺼짐과 켜짐을 반복하는 입사광을 이용하여 광 소자에서 전력을 스스로 생산하므로 외부 전원을 필요로 하지 않는다. 연구팀이 개발한 광 센서는 태양전지에서 활용되는 직류 광 전류에 비해 약 3만9000배 높은 광전류를 발생시켜 의료용에 적합한 고감도 광 센싱이 가능하다.
연구팀은 전도성 및 정전기 원자 현미경을 이용하여 이번에 발견한 광 센서의 작동 원리를 규명해냈다. 교류 광 입사로 인해 반도체 내부에 생성된 광 전하들이 위치별로 불균형적으로 생성되고, 이로 인한 ‘준 페르미 레벨 분할 및 재정렬’에 따르는 물리적 현상이 빠른 응답성과 높은 검출률의 특성을 유발함을 증명해 낸 것.
서형탁 교수는 “이번에 개발한 소자를 이용하여 스캔 이미징 방식으로 손가락 근조직의 내부 변화를 이미지화하는 데 성공했다”며 “이 소자를 이용하면 초고속으로 신체 통증을 감지하고 통증 부위를 이미징하는 것이 가능하다”고 설명했다.
서 교수는 이어 “근육뿐 아니라 다양한 신체 내부 조직의 변화 진단에 적용할 수 있을 것으로 기대하며, 특히 소아 대상 진단에 활용성이 높을 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며 특허 출원이 진행 중이다.