대구경북과학기술원(DGIST)은 로봇및기계전자공학과 한상윤·유재석 교수 공동 연구팀이 반도체 제조 공정을 이용한 초소형 광초음파 센서를 세계 최초로 개발했다고 1일 밝혔다.
초음파 비파괴검사는 기계나 부품을 분해하지 않고 내부 균열과 결함을 찾아내는 기술이다. 일반적으로 대상 물체에 젤 등의 매질을 바른 뒤 센서를 직접 접촉해야 정확한 신호를 얻을 수 있다.
그러나 반도체 웨이퍼와 이차전지처럼 오염이나 표면 손상에 민감한 제품은 접촉식 검사를 적용하기 어렵다.
공기를 통해 초음파를 주고받는 비접촉 방식이 대안이지만 초음파 신호가 공기 중에서 급격히 약해지는 문제가 있다. 미세한 결함을 확인하는 데 필요한 메가헤르츠(㎒)급 고주파는 주파수가 높아질수록 감쇠도 커진다.
연구팀은 빛을 이용해 초음파의 미세한 진동을 읽는 방식으로 이 문제를 해결했다.
반도체 산업에서 사용하는 실리콘 포토닉스 기술을 활용해 빛이 지나는 광회로와 초음파에 반응하는 초박막 캔틸레버를 하나의 반도체 칩에 구현했다.
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기존 광학식 초음파 센서에 필요한 대형 렌즈와 복잡한 조립 과정을 없애고 광학·기계 구조를 단일 반도체 공정으로 제작한 것이 특징이다.
감지부 크기는 가로 30㎛, 세로 13.5㎛로 면적이 약 0.0004㎟에 불과하다. 머리카락 굵기보다 작은 크기다.
연구팀이 상용 초음파 센서와 비교한 결과 유효 감지 면적당 수신 응답은 2만5000배 이상 높게 측정됐다. 공기 중에서 약해진 고주파 초음파도 작은 면적에서 감지할 수 있는 수준이다.
기존 8인치 실리콘 웨이퍼 파운드리 공정을 활용할 수 있다는 것도 장점이다. 별도의 생산설비를 새로 구축하지 않고 기존 반도체 제조 기반에서 센서를 대량 생산할 가능성을 열었다.
설계를 달리하면 여러 주파수에 반응하는 센서를 한 웨이퍼에 함께 제작할 수 있다. 연구팀은 수십개의 수신기를 한 칩에 집적한 배열형 센서로 발전시킬 계획이다.
다만 이번 성과는 초소형 센서의 제작과 초음파 수신 성능을 입증한 연구 단계다. 실제 반도체·이차전지 생산라인에 적용하려면 배열형 시스템 구축과 결함 영상화, 내구성 및 검사속도 검증 등이 추가로 필요하다.
한상윤 DGIST 교수는 “복잡한 부품 조립 없이 반도체 소자 하나로 초음파 센서를 만들 수 있음을 입증했다”며 “수십개의 수신기를 집적한 고밀도 배열형 광초음파 시스템으로 발전시키겠다”고 말했다.
유재석 교수는 “반도체 웨이퍼와 이차전지, 복합소재의 비접촉 검사뿐 아니라 의료·바이오 영상 분야로 활용 범위를 넓히겠다”고 밝혔다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단의 지원을 받아 KAIST·전남대 연구진과 공동 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘포토닉스 리서치(Photonics Research)’ 9월호에 게재됐다.
