근적외선은 빛의 스펙트럼에서 적색 바깥쪽, 그중에서도 파장이 가장 짧은 광원이다. 근적외선은 열작용 외에도 광전작용, 형광작용을 나타내므로 광통신이나 레이저 치료기기와 같은 의료기기, 자율주행용 라이다(LiDAR)*, 보안·감시 기기 등 민간 및 국방산업 전반에 걸쳐 사용되고 있다. 이러한 근적외선을 활용하기 위해서는 광센서를 통해 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것이 핵심기술인데, POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 모래시계구조의 원리를 이용해 근적외선의 흡수를 늘리는 ‘광검출센서’ 개발에 성공했다.

모래시계의 상부에서는 작은 소리도 크게 들리는 것 같이, 빛이 모래시계 안에서 빠져나오지 않고 공명을 일으키는 “속삭임의 회랑 공진”이 발생한다. 이처럼 근적외선이 나노선 지름을 따라 회전하며 흡수되기 때문에 흡수되는 빛의 깊이를 크게 늘리는 효과가 있다. 또한, 하부에서는 지름의 크기가 점차 커지는 수직방향으로 공기와 실리콘 사이의 굴절률의 차이가 점진적으로 증가해 나노선 상부에서 반사·투과된 광원을 효율적으로 재흡수한다.

연구팀은 모래시계구조 수직 실리콘 나노선이 기존 평판형 구조와 비교하면 1,000nm 근적외선 파장에서 최대 29% 증가된 빛 흡수 효율을 보이는 것을 확인했다. 또한, 이번에 개발된 센서를 모바일 심박 측정시스템에 적용했을 때, 평판형 센서 대비 심박수 출력 파형의 크기가 크고, 기존 시스템과 1% 미만의 오차율을 나타내는 것을 검증, 상용화 가능성을 확인했다. 

한편 이 연구는 과학기술정보통신부(정보통신기획평가원)의 ICT명품인재양성사업의 지원으로 수행됐다.

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