어둠 속에서 사물을 인식하는 '전자 눈'인 적외선 센서가 진화했다. 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)을 비롯한 공동연구진이 원하는 형태·크기로 10 마이크로미터(μm) 이하 초소형 적외선 센서를 제작할 수 있는 상온 3D 프린팅 기술을 세계 최초 개발했다.
KAIST는 김지태 기계공학과 교수팀이 오승주 고려대 교수, 티안슈 자오 홍콩대 교수와 이같은 성과를 거뒀다고 3일 밝혔다.
적외선 센서는 자율주행차 라이다(LiDAR), 스마트폰 3D 안면 인식, 헬스케어 웨어러블 기기 등에 쓰인다. 눈에 보이지 않는 적외선 신호를 전기 신호로 바꾸는 핵심 부품으로, 로봇비전 등 다양한 분야 미래형 전자기술 구현에 필수다. 센서 소형·경량화, 다양한 형태(폼팩터) 구현이 중요하다.
기존 반도체 공정 기반 제조 방식은 대량생산에는 적합했지만, 빠르게 변화하는 기술 수요에 유연하게 대응하기 어렵고, 고온 공정이 필수여서 소재 선택이 제한되며 에너지 소비가 많다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해, 금속·반도체·절연체 소재를 각각 나노결정 형태 액상 잉크로 만들어 단일 프린팅 플랫폼에서 층층이 쌓아 올리는 초정밀 3차원 프린팅 공정을 개발했다.
이로써 적외선 센서 핵심 구성 요소를 직접 상온에서 제작할 수 있으며, 맞춤형 형태·크기의 초소형 센서 구현이 가능해졌다.
특히 연구팀은 나노입자 표면 절연성 분자를 전기가 잘 통하는 분자로 바꾸는 '리간드 교환' 기법을 3D 프린팅 과정에 적용, 고온 열처리 없이도 우수한 전기적 성능을 확보했다. 그 결과, 사람 머리카락 굵기 10분의 1 수준의 초소형 적외선 센서 제작에 성공했다.
김지태 교수는 “이번 개발 기술은 적외선 센서 소형·경량화를 넘어, 기존에 상상하기 어려웠던 혁신 폼팩터 제품 개발을 앞당길 것”이라며 “또 고온 공정에서 발생하는 막대한 에너지 소비를 줄여 생산 단가 절감과 친환경적 제조 공정을 실현해, 적외선 센서 산업 지속 가능한 발전에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션스 10월 16일 자 온라인판에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
