▲ 텔루륨화은 양자점 광검출 소자의 중파장 적외선 감지 파장 확장 및 열화상 이미징 / 개발된 텔루륨화은(Ag2Te) 양자점 광검출 소자의 성능을 보여주는 그림이다. 왼쪽 그래프는 양자점 크기가 커짐에 따라 빛을 감지하는 파장 범위가 단파장 적외선에서 중파장 적외선(흡수 개시 파장 최대 6.9 μm)까지 연속적으로 확장되는 것을 보여주며, 반응 시간(2~6시간) 조절만으로 감지 파장을 정밀하게 제어할 수 있음을 입증한다. 오른쪽은 개발된 소자를 이용해 마스크 패턴을 스캔 방식으로 촬영한 중파장 적외선 열화상 이미지로, 비독성 텔루륨화은 양자점 소재 기반 소자로도 실제 적외선 이미징이 가능함을 세계 최초로 시연한 결과이다.(그림 및 설명=고려대학교 정광섭 교수)   © 특허뉴스

열화상 카메라와 체온 감지, 가스 탐지에 필수적인 중파장 적외선(MWIR)을 독성 물질 없이 감지하는 차세대 센서 기술이 국내 연구진에 의해 구현됐다. 수은(Hg)과 납(Pb)에 의존해온 기존 적외선 센서의 한계를 넘어, 친환경성과 경제성을 동시에 확보한 전환점으로 평가된다.

한국연구재단은 고려대학교 정광섭 교수 연구팀이 텔루륨화은(Ag₂Te) 콜로이드 양자점을 활용해 중파장 적외선(3~5μm) 전 영역을 검출할 수 있는 비독성 광검출 소자를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.

중파장 적외선은 열화상 카메라, 의료용 체온 감지, 산업용 가스 분석 등 다양한 분야에서 핵심적으로 활용되는 기술이다. 그러나 현재 상용화된 대부분의 적외선 센서는 수은 등 유해 물질을 포함하고 있으며, 고가의 진공 공정을 필요로 해 비용과 환경 측면에서 한계를 지녀왔다.

이를 대체할 후보로 콜로이드 양자점(CQD)이 주목받아 왔지만, 기존 소재 역시 수은 기반이 많아 의료·바이오 분야 적용에 제약이 있었다. 텔루륨화은 양자점은 비독성 대안으로 제시됐지만, 입자 크기 한계로 인해 중파장 적외선 영역까지 감지하지 못하는 기술적 제약이 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 ‘후성장(post-growth) 공정’으로 돌파했다. 먼저 저온에서 생성된 나노 입자를 씨앗으로 활용하고, 추가 반응을 통해 입자 크기를 정밀하게 확장하는 방식이다. 이를 통해 기존 한계를 넘어 중파장 적외선 전 영역을 감지할 수 있는 양자점 합성에 성공했다.

성능 또한 획기적이다. 개발된 센서는 37℃와 40℃의 미세한 체온 차이를 명확히 구분할 수 있을 정도의 높은 정밀도를 보였으며, 반응 속도는 523나노초(ns)에 달해 비독성 MWIR 센서 중 세계 최고 수준을 기록했다. 이는 실시간 열 감지 및 고속 신호 처리가 필요한 다양한 산업 환경에서 활용 가능성을 높인다.

특히 이번 기술은 ‘용액 공정’을 기반으로 제작된다는 점에서 산업적 파급력이 크다. 기존 진공 장비 기반 공정과 달리, 액체 형태의 소재를 기판에 도포하는 방식으로 생산이 가능해 제조 비용을 획기적으로 낮출 수 있다. 이는 적외선 센서의 대량 생산과 소비자 시장 확대를 동시에 가능하게 하는 요소다.

정광섭 교수는 “비독성 소재로 중파장 적외선 검출이 가능하다는 것을 입증한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “의료용 발열 감지 시스템, 환경 오염 가스 탐지 등 실생활 밀착형 기술로 빠르게 확장될 것”이라고 밝혔다.

이번 성과는 단순한 소재 개발을 넘어, 적외선 센서 산업의 구조 자체를 바꿀 가능성을 보여준다. 고가·고위험 소재 중심에서 저비용·친환경 기술로의 전환이 현실화되면서, 향후 열 감지 기술은 산업·의료·환경 전반에서 새로운 성장 축으로 자리 잡을 전망이다.

논문명은 Non-toxic silver telluride colloidal quantum dot mid-infrared photodetector이다.