10나노 두께 열감지 필름 개발…초경량 야간투시경 응용 기대

야간투시경은 미세한 빛을 증폭시켜 밤이나 어두운 공간에서도 시야를 확보할 수 있는 장비다. 게티이미지뱅크 제공

야간투시경은 미세한 빛을 증폭시켜 야간이나 어두운 공간에서 시야를 확보하는 장비다. 사물에서 방출되는 원적외선을 민감하게 감지하는 매우 얇은 필름이 개발돼 무겁고 큰 기존 야간투시경 등 전자기기를 경량화·소형화하는 데 응용될 것으로 기대된다.

김지환 미국 매사추세츠공대(MIT) 기계공학과 및 재료과학·공학과 교수팀은 초전(pyroelectricity) 소재를 두께 10나노미터(nm, 10억분의 1m)의 박막으로 구현해 열 감지 필름을 만드는 데 성공하고 연구결과를 23일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다.

초전소재는 온도 변화에 따라 전류를 발생시켜 열을 감지하는 데 쓰인다. 두께가 얇을수록 열 감지 능력이 우수하다.

김 교수는 반도체 재료를 기판 위에서 성장시킬 때 그래핀 같은 얇은 2차원 물질을 중간층으로 구현하고 위쪽을 박리(lift-off)하는 '원격 에피택시' 방법을 2017년 개발했다. 2차원 물질층은 반도체 박막이 기판에서 쉽게 분리돼 다른 곳에 전사될 수 있도록 돕는다. 기판은 계속 재활용할 수 있다.

연구팀은 다양한 소재에 원격 에피택시 방법을 적용하던 중 초전소재인 PMN-PT를 성장시킬 때 중간층이 없어도 매끄럽게 박리된다는 사실을 발견했다. 실험 결과 PMN-PT에 규칙적으로 배열된 납(Pb) 원자들이 접착력을 줄여 재료가 기판에서 잘 분리되도록 도왔다.

연구팀은 두께 10나노미터의 PMN-PT 필름을 제작했다. 한 변이 약 60마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)인 정사각형 모양으로 만든 필름 100개를 배열하고 미세한 온도 변화를 준 결과 필름은 원적외선 영역 전반에서 작은 온도 변화에도 민감하게 반응했다. 최신 야간투시경의 감도와 비슷한 수준이다.

현재 널리 쓰이는 광검출 방식 야간투시경은 냉각 장치가 필요해 무겁고 부피가 크다는 단점이 있다. 연구팀이 개발한 필름을 활용하면 냉각 장치 없이도 기존 야간투시경과 동일한 감도의 초경량 장비를 구현할 것으로 기대된다.

초전소재 필름은 야간투시경 외에도 적외선 감지가 필요한 다른 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어 자율주행 자동차에 적용되면 어둡거나 안개가 낀 날에도 보행자와 다른 차량을 인식하는 데 기여할 수 있다.

연구팀이 PMN-PT 필름을 구현한 방법은 향후 초박형 웨어러블 센서, 유연 트랜지스터 소자, 고감도·소형 이미지 처리장치 등 새로운 종류의 전자 기기 개발에 유망하다는 평가다. 기판에 납 원자를 주입하면 PMN-PT와 비슷한 박리 효과를 유도할 것으로 예상된다.

연구팀은 "PMN-PT 필름을 야간투시경에 통합하는 데 주력할 예정"이라며 "야간투시경에 실제로 적용하려면 다양한 환경 조건에서 테스트해야 한다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-025-08874-7

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]