암 조기진단에 한발짝 더 다가선다

작성자
생명과학연구원
작성일
2009-11-13 00:00
조회
199

암 조기진단에 한발짝 더 다가선다

원자력 연구소, 방사선 센서 원천기술 확보
2009년 11월 12일(목)

국내 연구진이 자체 기술로 CZT 화합물의 대구경 단결정 생성에 성공했다. CZT 화합물은 암 조기 진단을 위한 첨단 방사선 영상장치뿐만 아니라 우주 망원경, 차세대 태양전지, 방사선 센서 등의 소재로 각광받고 있는 소재다.

이로써 우리나라는 고부가가치 첨단 물질인 차세대 방사선 센서 원천기술 확보에 한걸음 더 다가가게 됐다.

카드뮴, 아연, 텔레늄 화합물을 지름 2인치로 키워

▲ 세계 6번째로 성장에 성공한 대구경 CdZnTe 화합물 반도체 단결정 
한국원자력연구원(원장 양명승) 원자력융합기술개발부 하장호 박사팀은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 일환으로 2007년부터 연구개발을 수행했고, 이번에 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 텔레늄(Te) 3가지 원소가 합성된 화합물 반도체 소재인 CZT(CdZnTe) 화합물을 지름 2인치의 대구경 단결정으로 성장시키는 데 성공했다.

참고로 화합물 반도체란 규소(Si), 게르마늄(Ge) 등 한가지 원소로 이뤄진 단원자 반도체와 달리, 두가지 이상의 원소가 화학 결합을 해서 반도체 성질을 가지는 물질을 말한다.

CZT 화합물을 지름 1인치 이상의 대구경 단결정(single crystal)으로 성장시킨 것은 프랑스, 미국, 영국, 캐나다, 이스라엘에 이어 세계 6번째다.

하장호 박사 팀은 단결정 성장로 등 고순도 화합물 단결정 성장에 필요한 장비와 공정 기술을 개발한 뒤 2인치 급 대구경 CZT 단결정 성장에 성공했다.

성장한 단결정은 웨이퍼 형태로 가공해서 다양한 물성 평가와 전기적 특성 평가를 거쳤고, 상용 외산 제품보다 우수한 단결정성을 확인받았다. 또한 방사선 센서로 제작해서 방사선 에너지 반응을 측정하는 데도 성공했다.

감지센서와 암 검진에도 널리 쓰이는 차세대 소재

▲ 방사선 영상 획득을 위한 pixel형 첨단 CZT 화합물 반도체 방사선 센서 
CZT 화합물 반도체는 우주 방사선 관측을 위한 우주 망원경의 감마선 감지 센서뿐만 아니라  PET(양전자 단층촬영기), SPECT(단일광자단층촬영) 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 밴드갭이 커서 상온에서 별도의 냉각장치 없이도 센서로 동작이 가능한 것이 특징이다. 이처럼 소형화가 가능하기 때문에 게르마늄 반도체를 대체할 차세대 방사선 센서용 원천소재로 주목받고 있다.

[ 에너지 밴드갭 (Energy Bandgap) ]
물질 내 원자가 일정하게 배열되어 있는 결정 구조를 이룰 때 원자에 포함되어 있는 전자들은 특정 허락된 에너지 상태만을 유지할 수 있다. 이 때 전자들이 유지할 수 있는 상태 사이의 에너지 간격을 에너지 밴드갭이라 한다. 밴드갭이 작으면 다른 에너지 구간으로 전자 상태 변화가 쉽고, 밴드갭이 크면 다른 에너지 구간으로 변화가 어려워진다.

CZT 화합물 반도체는 또한 현재 태양전지 소재로 광범위하게 사용되고 있는 실리콘 반도체보다 반응 효율이 2배 높기 때문에, 좁은 면적에서 많은 전력을 생산할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

현재 미국 eV products 사 등 소수 회사들이 세계 CZT 단결정 시장의 70%를 독점하고 있는 가운데, 이를 활용한 CZT 기반 첨단 핵의료 영상장치들이 개발되고 있다.

또한 미국 국토안보부는 ‘더러운 폭탄(dirty bomb)’ 등을 이용한 핵·방사선 테러로부터 자국민을 보호하기 위해 개당 1만 달러 이하의 휴대폰형 CZT 반도체 방사선 계측기를 전 국민에게 보급할 계획을 세우고 있다.

원천기술 부족한 현실 뚫고 반도체 센서기술 확보

그러나 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.

▲ 연구책임자 하장호 박사 
우리나라가 소재 원천기술이 부족한 현실에서도 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 있으며, 그 중에서도 CZT 센서 시장은 2006년 기준 3,000만 달러로 평균보다 빠르게 성장하고 있다.

하장호 한국원자력연구원 원자력융합기술개발부 책임연구원은 “단결정의 품질 향상과 대량 생산을 위한 공정 기술을 개발해서 세계 시장에 단결정을 공급할 계획”이라고 말했다. 이와 함께 “단결정을 활용해서 핵종 판별 및 선량 측정이 가능한 차세대 방사선 계측기를 개발하고 부가가치가 높은 방사선 영상 센서 개발도 자체적으로 추진할 계획”이라고 포부를 밝혔다.

임동욱 기자 | duim@kofac.or.kr

저작권자 2009.11.12 ⓒ ScienceTimes