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포커스 / 다방면 확장성 기대되는 다이아몬드 양자 센서의 원리와 응용

편집부 기자
입력 2025.09.11 00:00

다방면 확장성 기대되는 다이아몬드 양자 센서의 원리와 응용

동작 온도 환경, 공간분해능, 복합 계측 등 우위

다이아몬드, SiC, hBN(육각형 질화붕소) 등 와이드밴드갭 반도체 내 전자스핀을 큐비트(qubit)에 이용한 센서를 ‘고체 양자 센서’라고 한다. 이 센서는 에너지 일렉트로닉스 응용 외에 생체 계측, 우주와 심해 같은 극한 환경에도 응용을 기대할 수 있어 현재 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다.

정리 편집부

참조 JIEEJ 외

다이아몬드 결정 내 ‘NV 센터’는 탄소를 치환한 질소(N)와 그 옆에 있는 빈자리(V)의 복합 결함으로, 실온·대기 중에 양자 상태가 길게 유지되는 특징이 있다. 응용 범위가 넓어서 공간분해능이 나노에서 매크로 스케일까지 되는 자계·온도·전계·압력 센서는 물론이고 양자 컴퓨터, 양자 통신에 관한 연구가 광범위하게 이루어지고 있다.

다이아몬드 양자 센서는 복합 계측, 나노미터에서 밀리미터까지 공간분해능의 확장성, 온도 보상 불필요에 따른 소형화, 내환경성이 우수하다. 전기 분야와의 공동 연구로 향후 새로운 응용 분야가 많이 생겨날 것으로 기대된다.

다이아몬드 양자 센서

1. NV 센터의 구조와 센서의 원리

NV 센터는 탄소 원자 1개가 질소로 치환되고, 그 옆이 빈자리인 구조로 되어 있다([그림 1-(a)]). 양자 센싱에는 -1가에 대전한 NV 센터가 유용하다. 바닥 상태는 스핀양자 수 S=1의 스핀 삼중항 상태로, 스핀자기양자 수 ms=-1, 0, 1의 세 부준위로 이뤄지며, 그 에너지 준위는 다이아몬드의 금지대1) 폭 5.5eV의 중앙인 약 2.6eV에 있다([그림 1-(b)]). 이 에너지 준위의 자계, 전계, 온도, 압력에 따른 변화를 이용해 고감도 양자 센서를 실현한다. NV 센터의 스핀 상태는 실온을 포함해 다양한 온도에서 양자성을 장시간 유지하며, 전자스핀의 코히어런스 시간(coherence time)2)은 고체에서 최장 밀리초 이상이다.

다이아몬드 양자 센서의 계측 원리는 다음과 같다. ms=0의 바닥 상태에 있는 NV 센터를 녹색광으로 여기(勵起)3)하면 적색 형광을 내고 원래의 ms=0으로 완화된다([그림 2-(a)]). 이때 공명 주파수(2.87GHz) 마이크로파를 조사하면 전자스핀공명(ESR)에 의해 ms=?±1 상태로 전이가 일어난다. ms=?±1에서 광여기되었을 때는 비방사전이 상태를 거쳐 ms=0의 바닥 상태로 완화될 확률이 높고 형광 강도는 떨어진다.

따라서 마이크로파 주파수를 달리해 적색 형광의 강도를 계측하면 [그림 2-(b)]에서 보는 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 형광 강도가 떨어지는 위치로 공명 주파수를 알 수 있다. 이 계측 방법은 자기공명 중 하나인 전자스핀공명의 상태를 형광 강도의 변화로 검출하므로 ‘광학적 검출 자기공명(Optically Detected Magnetic Resonance: ODMR)’이라고 한다.

자계가 인가되면 [그림 3-(a)]에서 보듯이 ‘제이만 효과(Zeeman effect)’로 바닥 상태인 ??ms=?±1>의 에너지 준위가 ??+1>과 ??-1>로 갈라진다. 전자스핀공명을 하는 주파수도 갈라진 준위에 대응해 둘이 되기 때문에 [그림 3-(b)]와 같이 ODMR 스펙트럼은 두 곳에서 형광 강도가 떨어진다. 두 공명 주파수의 차이는 자계의 크기에 비례하므로 ODMR로 NV 센터의 전자스핀의 공명 주파수를 계측하면 자계 계측을 할 수 있다. 비례상수 γ는 ‘자기회전비율’이라고 하며, 자계 강도에 영향을 받지 않아 다양한 자계 범위에서 계측할 수 있다. 한편, 양자의 특징을 살려 ‘중첩(superposition)’ 상태의 위상을 읽고 ‘양자 얽힘(entanglement)’ 상태를 이용하면 감도를 향상시킬 수 있다.

NV 센터 연구는 1997년에 “ODMR 스펙트럼을 단일 NV 센터에서 검출할 수 있다”는 사실이 처음 밝혀지면서 주목받았다. 이후 NV 센터를 고밀도로 생성하는 제조 기술이 확립되었고, 2009년에 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)와 동일한 고감도 자기 센서의 실현 가능성이 제시되었다. 그리고 NV 센터의 에너지 준위는 자계 외에 전계, 온도로도 달라진다는 사실이 밝혀졌다. 자계 계측에서는 현재 감도가 서브pT에 이르렀으며, 온도 환경은 극저온에서 1,000K의 고온, 60GPa의 고압 환경, 강자계에서 자계 계측을 할 수 있는 것으로 나타났다.

이러한 특징을 다른 고감도 자기 센서인 SQUID, 광펌핑 자력계(OPM)와 비교한 것이 [표 1]이다. 동작 온도 환경, 공간분해능, 복합 계측에서 다이아몬드 양자 센서의 우위성이 있다. 자계와 온도의 복합 계측에서는 [그림 3-(b)]에서 보듯이 자계는 두 공명 주파수가 갈라지는 반면, 온도는 공명 주파수가 이동한다는 점에서 자계와 온도를 독립적으로 결정할 수 있다. 이는 자계와 온도, 즉 정보와 에너지의 동시 계측이 가능하다는 것을 보여주며, 생체와 에너지 디바이스를 모니터링하는 데 유용하다.

또한 자계 계측에서 온도 변화가 심한 환경에서 온도 보상이 불필요하다는 이점도 있다. 감도 향상이 과제지만 [그림 4]와 같이 점에서 2차원, 3차원 모양으로 NV 센터를 배치할 수 있기 때문에, 계측 대상에 최적인 감도와 공간분해능을 나노미터에서 밀리미터까지 실현해 응용 범위가 넓다는 것이 다른 센서보다 우수한 점이다.

다이아몬드는 화학적으로 안정적이고 생체 친화성이 좋아 생체 계측에 적합하다. 특히 나노부터 미크론 스케일의 단백질과 세포, 미생물 계측에서 기존 기술이 도달하지 못한 신규 계측 분야를 창출하고 있다.

2. NV 센터의 제조 방법

기본적으로 NV 센터는 인공 다이아몬드 내에 존재하는 질소 결함을 이용해 제조한다. 인공 다이아몬드의 합성 방법으로는 HPHT(고온고압)법과 CVD(화학기상증착)법이 있다.

HPHT법은 천연 다이아몬드의 형성 환경을 따라한 것으로, 다이아몬드 종 결정(seed crystal)을 고온(1,500℃ 이상)과 고압(약 60,000기압)에 노출한다. 합성 중에 탄소를 질소로 치환 가능하며, 다이아몬드 내 질소 농도를 선택적으로 제어할 수 있다. NV 센터를 원하는 위치에 제작할 때는 질소 이온 빔을 조사해 탄소를 질소로 치환할 수 있다. 빈자리는 다이아몬드 기판에 전자선을 조사해 탄소 원자를 날려 제조하며, 어닐링으로 빈자리를 이동시켜 질소와 빈자리가 인접하도록 배치한다.

CVD법은 다이아몬드의 종 결정을 진공 체임버에 두고 메탄가스를 주입해 마이크로파로 가스를 플라즈마 상태로 만든다. 플라즈마에서 방출되는 탄소 원자를 종 결정 표면에 증착해 다이아몬드를 층층이 쌓아 성장시킨다. CVD법은 HPHT법보다 낮은 온도와 압력으로 합성할 수 있어 설비가 비교적 작다. 합성 중에 NV 센터를 제작할 수 있으며, 질소 원자와 빈자리의 방향으로 정의되는 NV 축은 보통 정사면체의 네 방향에 같은 확률로 생성되는데 [111] 축 방향에 NV 축을 맞추는 기술이 개발되고 있다.

실용화를 위해서는 다이아몬드 기판의 대면적화가 과제지만, 이를 해결할 연구도 진행 중이다. [그림 5]에서 보는 헤테로 에피택시얼 CVD 기술을 사용해 양자 센서에 요구되는 품질의 다이아몬드층을 비(非) 다이아몬드 이종 기판 위에 형성하는 데 성공했다. 고가인 다이아몬드 종 결정과 비교해 면적이 넓은 비 다이아몬드 기판을 사용하기 때문에 공업적 양산성의 가능성이 있다.

Q-LEAP의 고체 양자 센서 응용

생체 계측

심장에서 발생하는 자기장을 검출해 심장 활동을 계측하는 ‘심자 계측 사례’를 소개한다. 기존 센서는 동작하려면 극저온 같은 극한 환경이 필요한 데다, 센서의 크기가 커서 심장에 가까이하기가 어렵다 보니 센티미터 스케일밖에 되지 않는 공간분해능이 과제다.

실험에서는 실온 동작이 가능하고 소형화가 용이한 다이아몬드 양자 센서를 실험쥐의 심자 계측에 적용했다. 쥐의 심장 표면에서 1밀리미터(mm) 거리까지 근접시켜 [그림 6]과 같은 밀리미터 스케일의 심자 사진을 계측했다. 2차원 사진은 쥐를 양자 센서에 대해 수평 방향으로 이동시켜 얻었다. 이 결과는 밀리미터 스케일에서 발생·성장하는 빈맥성 부정맥 등의 원인 규명으로 이어지는 새로운 계측 기술이 될 수 있다.

특정 체조직에 직결한 림프절을 동정하기 위해 체조직에 자성 나노 입자를 주입한 뒤 림프관을 흐르는 자성 나노 입자로 자계를 계측하는 ‘프로브형 다이아몬드 양자 센서’도 개발되었다. 이러한 검증 결과들을 토대로 시험 제작한 것이 [그림 7]의 소형 센서 모듈이다. 다이아몬드 측면에서 여기광을 입사해 여기 부피를 늘리고, 여기광의 흔들림을 보상할 수 있는 광학계와 신호 처리 회로를 설치해 심자 계측이 가능한 감도 44pT/를 실현했다. 이 모듈은 계측 대상의 접촉면을 바닥면으로 할지, 측면으로 할지에 따라 생체 계측과 바로 이어서 소개할 전류 계측에도 적용할 수 있도록 구성했다.

한편, 생체 계측용 모듈의 감도는 집광 효율과 다이아몬드 양자 재료(기판)의 품질 향상으로 계측에 필요한 100Hz 이하 저주파수 영역에서 10pT/보다 우수한 감도를 실현했다.

전류 계측

전기자동차(EV)의 전지 상태를 정확하게 파악하는 일은 항속 가능 거리와 전지 수명을 늘리는 데 중요하다. 그런데 전지 상태를 추정하는 기존 기술은 전류 센서의 정확도가 떨어져, 충전 상태의 추정 오차가 큰 편이다. 게다가 급속 충전의 대전력화로 1,000A의 대전류 계측이 전류 센서에 요구되고 있다. 이에 다이아몬드 양자 센서의 고감도화와 넓은 다이내믹 레인지를 양립하는 특징을 살려 대전류 계측과 높은 정확도로 전지 상태를 추정했다.

다이아몬드 양자 센서의 사진은 [그림 8-(a)]와 같다. 코어 지름이 400㎛인 멀티 모드 광섬유의 끝에 가로세로 2㎜인 다이아몬드를 접착 고정한 구성이다. 광섬유에서 녹색 여기광을 입사하고 다이아몬드의 형광은 광섬유를 통해 포토다이오드에 입사한다. [그림 8-(b)]에서 보듯이 센서 헤드를 고압용 도체인 버스바(bus bar)의 위아래에 설치해 전류를 계측했으며, 그 결과는 [그림 9-(a)]와 같다. 그림의 가로축은 입력 전류 10㎃~1,000A, 세로축은 센서 출력인 공명 주파수의 차이로, 다섯 자릿수 범위에서 입력 전류와 센서 출력에 선형성이 있다는 것을 알 수 있다. 온도 -40~85℃에서 전류 0~1,000A의 계측 결과는 [그림 9-(b)]와 같다. 그림은 가로축의 입력 전류에 대한 측정 정확도를 계산해 세로축에 플롯했다. 1,000A의 전류를 10㎃의 정확도로 계측할 수 있다는 점에서 계측 정확도는 10-5 이하며, 온도 범위 -40~85℃에서 계측 정확도는 떨어지지 않았다.

이 결과를 통해 다이아몬드 양자 센서를 사용한 자계 계측에서는 온도 보상이 불필요하다는 것을 알 수 있다.

또한 전지의 충·방전 전류를 실시간 모니터링해 충전 상태의 추정 오차를 기존 홀 형태 센서의 10%에서 1% 이하로 낮출 수 있다는 것을 보여주었다. 이로써 사용 가능한 전지 용량이 늘어나므로 EV의 항속 가능 거리를 늘리고 탑재하는 전지 용량을 줄여 CO2 배출 저감에 기여할 것으로 기대된다. 또한 온도 범위 -150~150℃에서 전류를 계측할 수 있다는 것도 보여줘, 우주와 심해 같은 극한 환경에서도 사용 가능하다.

파워 디바이스 내부 모니터링

다이아몬드는 파워 디바이스 재료로도 연구되고 있다. [그림 10-(a)]에서 보듯이 다이아몬드는 붕소와 인을 도핑해 PiN 접합을 만들 수 있다. PiN 접합의 i층 안에 NV 센터를 형성하고, 역방향 바이어스로 강전계를 건 상태에서 ODMR을 관측했다. 그리고 [그림 10-(b)]와 같이 전계 강도 값에 대응한 NV 센터의 전자 상태에 대한 슈타르크 효과(Stark effect)로 ODMR의 공명 주파수가 변하는 것을 확인했다. 해당 기술은 동작 중인 파워 디바이스 내 전계 집중 검출에 적용할 수 있어, 고장 해석과 디바이스의 신뢰도 향상으로 이어진다. 또한 파워 디바이스 내부의 전계 벡터를 계측하는 것도 가능하다.

한편, 다이아몬드 이외의 고체 양자 센서로 탄화규소(SiC) 내 규소 빈자리(VSi)의 연구 사례도 있다. 연구에서는 SiC PN 다이오드 내에 VSi 센터의 작은 도트를 형성하고, 주입 전류로 인해 일어나는 온도 변화를 측정했다. 그 결과, 전류 증가로 ODMR 스펙트럼이 -2MHz/K 온도 이동하는 것이 밝혀졌다. 이미 실용화가 추진되고 있는 SiC 파워 디바이스 내부의 온도 분포 이미지를 얻는다면, 전류 경로나 결함 등을 시각화할 수 있기에 디바이스 개발이 촉진될 것으로 기대된다.

1) 禁止帶. 고체 내의 에너지대 이론에서, 두 개의 허용대 사이에 있으며 전자가 존재할 수 없는 에너지대. 전기 재료의 종류에 따라 금지대 폭의 크기가 달라진다.

2) 양자 시스템, 특히 큐비트가 초기 양자 상태를 유지하며 양자 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement) 상태를 보존할 수 있는 시간의 길이

3) 양자론에서, 원자나 분자에 있는 전자가 바닥 상태에 있다가 외부의 자극에 의해 일정한 에너지를 흡수하여 보다 높은 에너지로 이동한 상태