DGIST, 고감도·유연소자에 적용 가능한 차세대 광센서 원천기술 개발

DGIST·KIST, 외부 전기장 활용 고효율 광센서 구현
반도체 공정 효율성 향상해 IoT·VR·AR기기에 적용

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 이종수 에너지공학과 교수 연구팀이 황도경 한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진) 박사 연구팀과 함께 반도체 적층과 도핑 공정이 필요 없는 차세대 광센서를 개발했다고 24일 밝혔다. 부착형 웨어러블 센서 등 다양한 소형기기에 활용될 것으로 기대된다.

비대칭 전계효과를 이용해 고감도, 유연소자등에 적용 가능한 차세대 광센서 원천기술을 개발한 연구팀. 왼쪽부터 이종수 DGIST 에너지공학과 교수, 나현수 KIST 박사, 황도경 박사.
<비대칭 전계효과를 이용해 고감도, 유연소자등에 적용 가능한 차세대 광센서 원천기술을 개발한 연구팀. 왼쪽부터 이종수 DGIST 에너지공학과 교수, 나현수 KIST 박사, 황도경 박사.>

광센서는 빛의 양, 물체의 모양이나 상태, 동작 등을 감지한다. 광센서를 만들기 위해서는 빛의 파장에 반응하는 반도체 물질이 있어야 한다. 또 3차원 반도체는 서로 다른 성질을 가진 반도체와 금속을 물리적으로 붙인 것이기 때문에 접합 부위에서 전자 이동이 방해받아 고성능 전자기기 개발이 어렵다. 반면, 2차원 반도체는 평면을 따라 이동하기 때문에 외부 방해로부터 자유로워 빠른 속도로 이동할 수 있다. 그러나 2차원 반도체는 높은 에너지 장벽을 가지고 있어 실제 광전소자 적용에 한계가 있었다.

연구팀은 기존 2차원 반도체를 비롯한 저차원 반도체들이 가지는 높은 엑시톤 결합에너지를 극복할 방법으로 비대칭 전계효과를 선보였다. 2차원 반도체는 매우 얇아 전계효과로도 충분히 반도체 도핑 레벨을 조절할 수 있다. 이에 착안해 전자빔리소그래피를 활용, 미세 나노 전극을 교차로 배열해서 비대칭 전계효과를 구현할 구조를 실현했다. 2차원 반도체는 미세 나노 전극 배열에 따라 전계효과를 통해 도핑 레벨이 조절돼 마치 3차원 반도체 이종접합 계면을 표면에 모사하는 효과를 최초로 발견했다.

이번 기술은 값비싼 반도체 적층 및 도핑 공정이 필요 없어 비용이 크게 절감되고 반도체 공정의 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 2차원 반도체 물질은 투명하고 휘어질 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 부착형 웨어러블 센서에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

이종수 교수는 “후속 연구를 통해 다양한 비대칭 전계효과 디자인을 활용하여 새롭게 구현될 차세대 광센서 원천기술 개발에 집중하겠다.”고 말했다.

한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업 및 대구경북과학기술원 그랜드챌린지연구혁신프로젝트(Pre-CoE) 초연결미래소자밸리트로닉스 연구단 지원을 통해 수행된 이번 연구결과는 최근 재료화학분야 최고 권위 있는 학회지중 하나인 '어드벤스드 머터리얼즈'에 온라인 게재됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com