원자력융합기술개발부 하장호 박사팀 2007년부터 연구 결과
국내 기술로느 세계 6번째 성과다. 소재 원천기술이 부족한 현실에서 고부가가치 첨단 물질인 차세대 방사선 센서 원천기술 확보에 한걸음 더 다가가게 됐다.
한국원자력연구원(원장 양명승)은 11일 원자력융합기술개발부 하장호 박사팀이 원자력연구개발사업의 일환으로 2007년부터 수행한 연구개발 결과 Cd(카드늄), Zn(아연), Te(텔레늄) 3가지 원소가 합성된 화합물 반도체 소재인 CZT(CdZnTe) 화합물을 지름 2인치의 대구경 단결정으로 성장시키는 데 성공했다고 밝혔다.
CZT 화합물을 지름 1인치 이상의 대구경 단결정으로 성장시킨 것은 프랑스, 미국, 영국, 캐나다, 이스라엘에 이어 세계 6번째(개발 주체 기준으로는 세계 8번째)다.
화합물 반도체는 Si(실리콘), Ge(게르마늄)등 한가지 원소로 이뤄진 단원자 반도체와 달리, 두가지 이상의 원소가 화학 결합을 해서 반도체 성질을 가지는 물질.
단결정(single crystal)은 고체 물질이 반복된 격자구조로 원자들이 배열된 상태를 말한다.
즉 화학적 순도와 전기적인 특성이 우수해 다이아몬드 등 귀금속과, Si, Ge 등 반도체가 대표적인 단결정체다.
차세대 태양전지 소재 등 활용성 뛰어난 차세대 소재
성장한 단결정은 웨이퍼 형태로 가공해서 다양한 물성 평가와 전기적 특성 평가를 통해 상용 외산 제품보다 우수한 단결정성을 확인했고, 방사선 센서로 제작해서 방사선 에너지 반응을 측정하는 데도 성공했다.
CZT 화합물 반도체는 우주 방사선 관측을 위한 우주 망원경의 감마선 감지 센서, PET, SPECT 등 핵의료 영상장치용 3차원 영상 방사선 센서, 소형 핵물질 및 동위원소 분석기 감마선 감지 센서, 차세대 태양전지 소재 등 활용성이 뛰어난 차세대 소재다.
특히 에너지 분해능이 높고 에너지 밴드갭(bandgap)이 커서 상온에서 별도의 냉각장치 없이도 센서로 동작이 가능, 소형화가 가능하기 때문에 Ge 반도체를 대체할 차세대 방사선 센서용 원천소재로 주목받고 있다.
CZT 화합물 반도체는 현재 태양전지 소재로 광범위하게 사용되고 있는 실리콘 반도체보다 반응 효율이 2배 높아 좁은 면적에서 많은 전력을 생산할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
방사선 센서는 사람이 직접 감지할 수 없는 방사선을 사람이 감지할 수 있는 신호로 바꿔주는 센서. 일반적으로 방사선을 전기 신호로 바꾸고 이 신호를 증폭해 주는 전자회로를 포함된다.
에너지 밴드갭은 물질내 원자가 일정하게 배열돼 있는 결정 구조를 이룰 때 원자에 포함돼 있는 전자들은 특정 허락된 에너지 상태만을 유지할 수 있다.
이때 전자들이 유지할 수 있는 상태 사이의 에너지 간격을 에너지 밴드갭이라고 한다.
그만큼 밴드갭이 작으면 다른 에너지 구간으로 전자 상태 변화가 쉽고, 밴드갭이 크면 다른 에너지 구간으로 변화가 어려워지 된다.
현재 세계 시장의 70%를 독점하고 있는 미국 eV products사 등 소수 회사들이 CZT 단결정을 공급하고 있는 가운데, 이를 활용해 CZT 기반 첨단 핵의료 영상장치들이 개발되고 있다.
CZT 센서 시장 2006년 현재 3,000만 달러 빠르게 성장
또한 미국 국토안보부는 '더러운 폭탄' 등을 이용한 핵 테러, 방사선 테러로부터 자국민을 보호하기 위해 개당 1만달러 이하의 휴대폰형 CZT 반도체 방사선 계측기 전 국민에게 보급할 계획을 세우고 있다.
미국이 테러와의 전쟁 이후 CZT 단결정을 전략물자로 분류한 데다 관련 기업들이 부가가치가 높은 방사선 센서 완제품 형태로만 공급하고 있어 단결정 기술이 없는 국가들은 소재 확보에 어려움을 겪고 있다.
이번 소재 원천기술이 부족한 현실에서 자체적으로 대구경 단결정 성장 기술을 개발함에 따라, 향후 차세대 반도체 센서용 시장에 주도적으로 참여할 수 있을 것으로 기대된다.
방사선 센서 세계 시장 규모는 연간 11억 달러로 매년 10% 이상 성장하고 있고, 그 중에서도 CZT 센서 시장은 2006년 현재 3,000만 달러로 평균보다 빠르게 성장하고 있다.
하장호 원자력융합기술개발부 책임연구원은 "단결정의 품질 향상과 대량 생산을 위한 공정 기술을 개발해서 세계 시장에 단결정을 공급할 계획"이라고 밝혔다.
