아주대학교는 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 신체 내 근육 조직의 손상을 감지할 수 있는 근적외선 이미지 센싱 소자를 개발했다고 2일 밝혔다.

이 소자는 교류광전효과를 이용해 검출률이 높고 응답 시간 또한 빨라 고감도·고효율의 센서가 필요한 의료진단용 이미징 장치에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과 기반 광 센서는 신재생 에너지 활용과 스마트폰, 사물인터넷(IoT), 광통신 등에서 필수적인 부품이다. 특히 의료 분야에서도 다른 진단 방식에 비해 간편한 진단 및 상시 모니터링을 할 수 있어 광 센서를 활용한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 실제로 고도 화상 진단에 광 센싱 기술이 활용되고 있어 광 센싱 기반으로 신체 내부의 근조직 손상을 이미징 방식으로 진단할 수 있는 기술 개발이 산업계·학계의 주목을 받고 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 전망되기 때문이다. 하지만 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 적용돼왔다. 그러나 갈륨비소를 비롯한 화합물 반도체 소자는 가격과 성능의 한계를 보여왔다. 더욱이 의료진단용으로 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 구현된 고성능 광 검출 소자는 기존 상용화된 근적외선 검출 소자보다 스위칭 비율, 검출률, 응답 시간 등 모든 면에서 훨씬 우수하다.

연구팀이 개발한 광 센서는 전력을 스스로 생산하는 교류 광전류를 사용해 외부 전원이 필요없다. 또 이 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 원리도 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 것이다.

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.

그는 이어 “근육뿐 아니라 다양한 신체 내부 조직의 변화 진단에 적용할 수 있을 것으로 기대하며, 특히 소아 대상 진단에 활용성이 높을 것”이라고 덧붙였다.

연구와 관련된 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)> 8월 29일자 온라인판에 게재됐다. 아주대 박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과), 김상완 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원(제1저자)이 함께 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며 특허 출원이 진행 중이다.

[ 경기신문 = 김기현 기자 ]