경북대학교는 이상욱 신소재공학과 교수팀이 차세대 반도체 물질의 단결정막을 낮은 온도에서 제작할 수 있는 공정을 개발하고, 이를 적용해 고성능·고안정성의 근적외선(NIR) 센서를 구현했다고 10일 밝혔다. 이번 연구는 센서 성능 향상과 함께 반복 사용에도 안정적인 작동이 가능해 실제 활용 가능성을 크게 높였다는 점에서 의미가 있다.
근적외선 센서는 사람의 눈에는 보이지 않는 빛을 감지하는 장치로, 의료 영상과 보안 감지, 자율주행 차량 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 저밴드갭 할라이드 페로브스카이트 반도체는 빛을 잘 흡수하고 이를 전기 신호로 변환하는 특성이 뛰어나 차세대 근적외선 센서 소재로 평가받아 왔다. 그러나 기존 방식으로 제작된 막은 여러 결정이 뒤섞인 다결정 구조로 형성돼 내부 결함이 많고, 이로 인해 전기 신호 손실이 크며 공기 중에서 성능이 쉽게 저하되는 문제가 있었다.
최근에는 이를 해결하기 위해 기존의 다결정막 대신 단결정막을 기판 상에 형성하는 연구가 주목받고 있다. 단결정막은 내부 결함이 거의 없어 전기 신호 전달이 효율적이지만, 투명전극 기판 위에 바로 성장시키기가 어렵고 일반적으로 높은 온도가 필요해 공정 효율이 떨어진다.
연구팀은 페로브스카이트 재료를 녹인 용액 상태에서 결정이 형성되는 과정을 정밀하게 제어, 40도씨 이하의 낮은 온도에서도 페로브스카이트 단결정막을 성장시키는 데 성공했다. 특히, 이 공정은 정공수송층이 코팅된 투명전극 위에 바로 단결정막을 성장시킬 수 있어, 소자 제작 공정 효율성이 높다는 장점이 있다.
연구팀은 제작한 단결정막을 적용해 근적외선 센서로 구현한 결과, 기존 센서 대비 빛에 대한 전기 신호 응답이 크게 향상된 것을 확인했다. 또 2만5000 회 이상 반복 작동 이후에도 성능 저하 없이 안정적으로 작동해, 장기 사용 환경에서도 높은 신뢰성을 보였다. 단결정막 소자의 우수한 광전특성은 동일한 조성의 다결정막 대비 약 1000배 낮은 전하 트랩 밀도에 따른 결과라고 연구팀은 설명했다.
이상욱 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 단결정막을 투명전극 기판 위에 저온에서 바로 성장시켜 실제 근적외선 센서 소자에 적용했다는 점에서 의미가 크다. 고성능과 장기 안정성을 동시에 확보해 의료 영상과 보안 감지, 자율주행 센서 등 다양한 분야로의 발전에 도움이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
한국연구재단의 미래융합기술파이오니어사업과 단계도약형 탄소중립기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 국제학술지인 '나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)에 게재됐다.교신저자는 이상욱 교수, 제1저자는 같은 학과 라젠드라 쿠마 구나세카란 박사후연구원과 남지훈 박사과정생이다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
