수은·납 없이 중파장 적외선 감지…열화상·가스센서 '친환경 전환' 신호탄[과학을읽다]

독성 소재 의존 탈피…저가 공정으로 상용화 문턱 낮춰

국내 연구진이 수은(Hg)이나 납(Pb) 없이도 열화상 카메라와 체온 감지에 필수적인 중파장 적외선을 감지하는 데 성공했다. 기존 적외선 센서가 안고 있던 독성·고비용 문제를 동시에 해소할 수 있는 기술로, 열화상·의료·환경 센서 산업 전반의 판을 바꿀 수 있다는 평가가 나온다.

한국연구재단은 정광섭 고려대학교 교수 연구팀이 텔루륨화은(Ag₂Te) 콜로이드 양자점을 활용해 중파장 적외선(3~5㎛) 전 영역을 검출하는 비독성 광검출 소자를 개발했다고 21일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 Nature Communications에 지난 4일 게재됐다.

텔루륨화은 콜로이드 양자점의 후성장 합성 과정 및 광학적 특성. 텔루륨화은(Ag₂Te) 콜로이드 양자점의 합성과 광특성을 보여주는 그림이다. 작은 단파장 적외선 양자점을 씨앗으로 삼아 고온에서 후성장시키면 입자 크기가 약 6.4nm에서 10.1nm로 커지며, 감지 파장도 단파장에서 중파장 적외선(3~5㎛)으로 확장된다. 반응 시간 조절만으로 감지 파장을 정밀하게 제어할 수 있어 기존 크기 한계를 극복했음을 보여준다. 그림 및 설명 : 정광섭 고려대 교수

중파장 적외선은 열화상 카메라, 체온 감지, 가스 분석 등 산업·의료·환경 분야에서 핵심적으로 활용되는 영역이다. 그러나 현재 상용화된 센서는 대부분 수은 등 독성 물질을 포함하고, 고가의 진공 장비가 필요한 공정에 의존해 대량 생산과 소비자 시장 확대에 한계가 있었다.

'크기 한계' 넘은 양자점…중적외선 전 영역 구현

연구팀은 기존 콜로이드 양자점이 갖는 입자 크기 한계를 극복하기 위해 '후성장(post-growth) 공정'을 도입했다. 130℃에서 생성한 나노 입자를 씨앗으로 삼고, 180℃에서 은 전구체와 환원제를 추가 투입해 입자를 성장시키는 방식이다.

이를 통해 양자점 크기를 기존 한계(약 6nm)에서 최대 10.1㎚까지 키우는 데 성공했고, 감지 파장 역시 단파장 적외선에서 중파장 적외선 영역으로 확장됐다. 특히 흡수 개시 파장은 최대 6.9㎛까지 도달해 중파장 적외선 전 대역 검출이 가능해졌다.

실제 제작된 소자는 37℃와 40℃의 미세한 체온 차이를 명확히 구별했으며, 열화상 이미징에서도 물체 형상을 선명하게 구현했다. 응답 속도는 523나노초(ns)로, 비독성 중파장 적외선 소자 중 세계 최고 수준을 기록했다.

연구팀 사진. 외쪽부터 이진혁 석박통합과정, 엄소영 연구교수, 정광섭 교수. 고려대 제공

"독성·비용 동시에 해결"…산업 확장성 주목

이번 연구의 핵심은 성능뿐 아니라 '공정'에 있다. 연구팀은 진공 장비 없이 액체 상태 소재를 도포하는 용액 공정을 적용해 제조 비용을 크게 낮출 수 있는 가능성을 제시했다.

정광섭 고려대학교 교수는 "친환경 소재인 텔루륨화은을 활용해 독성 문제없이 중파장 적외선 검출이 가능함을 입증했다"며 "저가 공정 기반으로 의료용 발열 모니터링, 대기오염 가스 탐지 등 다양한 산업 분야에서 실용화가 가능할 것"이라고 말했다.

이번 성과는 중파장 적외선 센서가 안고 있던 '독성 소재 의존' 구조를 흔들 수 있다는 점에서 의미가 크다. 향후 상온 동작 성능 개선과 다화소 배열 기술이 확보될 경우, 열화상 카메라부터 환경 센서까지 적외선 기술의 대중화 속도가 한층 빨라질 것으로 전망된다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr