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Nikkei Electronics_2021.7 Hot News (p10~11)

적외선 센서의 감도 10배 향상, 열 제어 나노 구조
파나소닉, 미세한 주기 구조로 원자 진동을 억제해 열전도 제어

물질 내부의 열전도를 제어하는 ‘포노닉 결정(Photonic Crystal)’을 파나소닉이 세계 최초로 산업에 응용했다. 포노닉 결정은 공경(孔徑) 수십 nm의 주기적인 공공(空孔)으로 구성된 인공 결정으로, 열의 전파를 담당하는 원자 진동에 간섭 및 산란(散亂)시켜 물질에 열이 통과하기 어렵게 한다.

-- 센서 감도 10배로 면적을 1/10로 --
파나소닉은 포노닉 결정의 단열성을 이용해 적외선센서의 열을 수광부에 가두어 센서의 감도를 비약적으로 높였다. 지금까지 열이 빠져나가는 통로였던 수광부와 전극을 연결하는 실리콘 버팀대에 포노닉 결정을 탑재한 것이다. 적외선센서는 수광부가 흡수한 열(적외선)로 인한 온도 변화를 감지해 대상물의 온도를 측정한다. 수광부에서 열이 새어 나오지 않으면 센서의 감도는 높아진다.

실리콘 버팀대에 공경 26nm, 1주기가 38nm인 포노닉 결정을 탑재한 결과, 버팀대의 열전도율이 31.2W/mK에서 3.6W/m로 저감. 동일한 빛의 강도 당 열기전력(Thermo-electromotive force)이 10배, 즉 센서 감도가 10배로 향상되었다고 한다. 이것은 수광부의 면적을 10분의 1로 해도 동일한 감도를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

“(수광부를 소형화할 수 있다면) 칩의 가격이 낮아질 뿐만 아니라, 렌즈의 구경도 작아지기 때문에 전체적인 비용 절감을 기대할 수 있다”(파나소닉 테크놀로지본부 머티리얼응용기술센터의 후지가네(藤金) 주간연구원).

-- 원자 진동을 억제해 열을 차단 --
포노닉 결정으로 물질의 열전도율을 낮추는 것은 물질 내부의 열전도를 담당하는 매개체 중 하나인 ‘포논(Phonon, 음향양자)’의 전파를 억제하기 위해서이다. 열은 포논의 탄성 진동이 물질 내부의 원자에서 원자로 전달됨으로써 전파된다. 그렇기 때문에 포논의 파장과 동일한 수십 nm 주기 구조의 물질로 만들면 포논의 파동을 간섭하고 산란시킬 수 있다.

“포노닉 결정은 최근 활발하게 연구되고 있지만 그 구체적인 용도는 아직 찾아내지 못하고 있는 가운데, 우리가 적외선센서를 통해 처음으로 산업적 응용에 착수했다. 인류가 열의 이동을 제어하는 시대가 오고 있다”(후지가네 주간연구원).

-- 저비용의 프로세스 기술 --
파나소닉은 포노닉 결정의 미세한 패터닝 공정에 ‘자기 조직화’라고 하는 저비용의 프로세스를 채택했다. 레이저 등으로 패턴을 그리는 것이 아니라, 화학적으로 주기적인 미세 패턴을 형성시키는 방법이다. 파나소닉은 이번에 두 종류의 폴리머가 결합된 디블록 코폴리머(Diblock copolymer)를 열처리로 분리해 주기적인 패턴을 자연스럽게 형성하는데 성공했다.

자기 조직화한 폴리머를 마스크 재료와 실리콘에 적층. 폴리머의 주기 구조를 산화알루미늄(ALOX)으로 치환하고, 건식식각(Dry Etching) 처리해 실리콘에 전사했다. “기존 반도체 프로세스와 친화성이 높다는 것이 특징이다. 공수는 증가하지만, 새로운 장치 도입이나 공정 기간의 대폭적인 연장은 없을 것으로 전망된다”(후지가네 주간연구원). 현재는 8인치(약 20cm)의 웨이퍼 상에 포노닉 결정이 탑재된 실리콘을 제조할 수 있다고 한다.

“이 기술을 이용해 적외선 센서의 화소를 현재 8x8화소에서 60x80화소로 높이고 싶다. 2025년경에는 포노닉 결정이 탑재된 적외선 센서를 실용화할 수 있도록 연구개발을 추진해 나갈 방침이다”(후지가네 주간연구원).

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