DGIST, 초소형 광(光) 초음파 센서 세계 최초 개발

사진 왼쪽부터 DGIST 로봇및기계전자공학과 한상윤 교수, 유재석 교수, 남상우 석박사통합과정생. DGIST 제공.

대구경북과학기술원(DGIST) 로봇및기계전자공학과 한상윤·유재석 교수 공동 연구팀이 반도체 제조 공정을 활용해 머리카락 굵기보다 작은 초소형 광(光) 초음파 센서를 세계 최초로 개발했다고 DGIST가 1일 밝혔다.

연구팀이 개발한 이 센서는 대상 물체에 직접 닿지 않고 공기를 통해 전달되는 메가헤르츠(㎒)급 초음파를 정밀하게 잡아낼 수 있어, 향후 반도체나 이차전지 내부의 결함을 찾아내는 비파괴검사 기술에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

기계를 분해하지 않고 내부 결함을 찾는 초음파 비파괴검사는 보통 대상 물체에 젤과 같은 매질을 발라야(접촉식) 정확한 검사가 가능하다. 하지만 오염이나 손상에 민감한 첨단 부품에는 이 방식을 적용하기 어려웠다. 대안으로 공기를 통해 초음파를 쏘고 받는 '비접촉식' 방식이 꼽히지만, 공기 중에서는 초음파 신호가 급격히 약해지는 치명적인 문제가 있다. 특히 미세 결함을 찾기 위해서는 높은 주파수(㎒급)가 필요한데, 주파수가 높을수록 신호 감쇠가 더 심해져 '고주파·고감도·초소형' 특성을 모두 만족하는 센서 개발은 오랜 난제로 남아 있었다.

연구팀은 빛을 이용해 소리(초음파)의 미세한 떨림을 읽어내는 광학식 방식으로 이 문제를 획기적으로 해결했다. 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 구현해 낸 것이다.

이번에 개발된 센서는 감지부 크기가 0.0004㎟(가로 30㎛×세로 13.5㎛)로 머리카락 굵기보다 작으면서도 압도적인 성능을 자랑한다. 상용화된 기존 초음파 센서와 비교한 결과, 유효 감지 면적당 수신 응답이 무려 2만5천 배 이상 높게 측정됐다.

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.

DGIST 로봇및기계전자공학과 한상윤 교수는 "이번 연구는 복잡하게 부품을 조립할 필요 없이 반도체 소자 하나로 초음파 센서를 만들 수 있음을 증명한 것"이라며 "앞으로 수십 개의 수신기를 한 칩에 모은 고밀도 배열형 광 초음파 시스템으로 발전시키겠다"고 말했다. 유재석 교수는 "오염에 민감한 반도체 웨이퍼나 이차전지, 복합 소재의 비접촉 검사는 물론 의료·바이오 영상 분야로도 활용 범위를 넓힐 계획"이라고 했다.

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, 전남대 이창호 교수 연구팀과 공동 수행한 이번 연구 결과는 광학 분야 국제 저명 학술지인 'Photonics Research'에 게재됐다.