DGIST, 머리카락보다 작은 광 초음파 센서 세계 최초 개발

대구경북과학기술원(이하 DGIST) 연구진이 머리카락 굵기보다 작은 센서로 공기 중 초음파를 감지하는 기술을 개발했다.1일 DGIST에 따르면 로봇및기계전자공학과 한상윤·유재석 교수 공동 연구팀은 반도체 제조공정을 활용해 초소형 광(光) 초음파 센서를 세계 최초로 개발했다.이번 센서는 물체에 직접 접촉하거나 젤과 같은 매질을 사용하지 않고 공기를 통해 전달되는 메가헤르츠(㎒)급 초음파를 감지할 수 있다. 기존 접촉식 초음파 비파괴검사는 검사 대상에 매질을 발라야 해 반도체 웨이퍼나 이차전지처럼 오염에 민감한 부품에는 적용이 어려웠다.연구팀은 실리콘 포토닉스 기술을 활용해 빛이 지나는 광 회로와 초박막 캔틸레버를 하나의 반도체 칩에 구현했다. 초음파가 캔틸레버를 진동시키면 주변을 지나는 빛의 파장과 세기가 변하고, 이를 측정해 초음파 신호를 읽는 방식이다.센서 감지부 크기는 가로 30㎛, 세로 13.5㎛로 면적이 0.0004㎟에 불과하다. 상용화된 기존 초음파 센서와 비교한 결과 유효 감지 면적당 수신 응답이 2만5천배 이상 높은 것으로 나타났다.특히 기존 8인치 실리콘 웨이퍼 파운드리 인프라를 활용해 대량 생산할 수 있다는 점도 특징이다. 설계를 변경하면 하나의 웨이퍼에 다양한 주파수의 센서를 제작할 수 있어 산업용 계측과 의료 영상 등으로 활용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 전망된다.연구팀은 향후 여러 수신기를 하나의 칩에 집적한 배열형 광 초음파 시스템으로 기술을 발전시킬 계획이다. 반도체 웨이퍼와 이차전지, 복합소재의 비접촉 비파괴검사뿐 아니라 의료·바이오 영상 분야 적용도 추진한다.한상윤 교수는 “복잡한 부품 조립 없이 반도체 소자 하나로 초음파 센서를 구현할 수 있음을 증명했다”며 “고밀도 배열형 광 초음파 시스템으로 발전시키겠다”고 말했다.이번 연구에는 DGIST와 KAIST, 전남대 연구진이 참여했으며 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단의 지원을 받았다. 연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ‘Photonics Research’ 9월호에 게재됐다.