“빛 민감도 20배 향상” KAIST, 세계 최고 성능 ‘광센서’ 개발

배터리 없이 광원만으로 웨어러블 기기, 생체 신호 모니터링, 자율주행 자동차 등의 정밀 센싱을 가능케 할 '무전력 광센서'가 국내에서 개발됐다.

광센서에 사용되는 기존 실리콘 반도체는 빛 반응성이 낮고 2차원 반도체 이황화 몰리브덴(MoS₂)은 너무 얇아 전기적 특성을 조절할 도핑 공정을 어렵게 했다. 이는 곧 고성능 광센서 구현에 한계로 작용했다.

하지만 국내 기술로 개발된 무전력 광센서는 이러한 한계를 극복, 광원이 존재하는 환경에서 전력 없이 작동하면서도 세계 최고 성능을 나타내 주목받는다.

연구팀이 무전력 광센서 기능 실험을 진행하고 있다. KAIST 제공

KAIST는 전기 및 전자공학부 이가영 교수 연구팀이 외부 전원 공급 없이 작동하는 무전력 광센서를 개발했다고 14일 밝혔다.

이 센서는 기존 제품보다 민감도가 최대 20배 향상돼 현재까지 공개된 동급 기술 중 최상위 수준의 성능을 발휘한다.

무전력 광센서는 'PN 접합 구조'의 광센서에 도핑을 하지 않고 '반데르발스 하부 전극(Van der Waals Bottom Electrode, 반도체가 전기 신호에 민감하게 반응하게 하는 역할)'을 적용해 만들었다.

PN 접합 구조는 반도체에서 P형(정공이 많은)과 N형(전자가 많은) 재료를 접합한 구조로 전기 에너지의 공급 없이 빛이 있는 환경에서 스스로 전기신호를 만들어 낸다. 빛을 받았을 때 전류가 한 방향으로 흘러가도록 하는 특징은 광센서, 태양전지의 핵심 요소로 부각된다.

다만 PN 접합이 온전히 이뤄지려면 '도핑'이라는 공정이 필요하다. 도핑은 반도체에 의도적으로 불순물을 넣어 전기적 특성을 바꾸는 작업을 말한다. 하지만 이때 이황화 몰리브덴 등 2차원 반도체의 두께는 원자 수준으로, 기존 반도체처럼 도핑을 했을 때 오히려 구조가 망가지거나 성능이 저하될 수 있다. 2차원 반도체에서 이상적 PN 접합을 만드는 데 한계가 따르는 이유다.

연구팀은 이러한 한계를 극복, 소자의 성능을 극대화하기 위해 '반데르발스 전극'과 '부분 게이트(Partial Gate)'라는 두 가지 핵심 기술을 도입한 새로운 소자 구조를 고안했다.

기존에 보고된 무전력 광센서과 신규 개발 무전력 광센서의 광전기적 특성의 비교 자료. KAIST 제공

부분 게이트 구조는 2차원 반도체의 일부 영역에만 전기 신호를 보내 한쪽은 P형처럼, 다른 쪽은 N형처럼 작동할 수 있도록 제어해 도핑 없이 전기적으로 PN 접합 구조로 작동할 수 있게 한다.

연구팀은 기존 금속 전극이 반도체와 화학적으로 강하게 결합해 반도체 고유의 격자 구조가 손상될 수 있는 점을 고려해 2차원 반도체의 본래 구조를 유지하면서 전기 신호 전달이 원활한 환경도 조성했다. 금속 전극이 반데르발스의 힘으로 반데르발스 하부 전극에 부드럽게 붙도록 유도하는 방식이다.

이는 두께가 얇은 2차원 반도체에서도 구조를 망가뜨리지 않고 전기적으로 온전히 작동할 수 있는 PN 접합을 구현할 수 있다는 것을 의미한다. 2차원 반도체에서 소자의 구조적 안정성과 전기적 성능을 동시에 확보할 수 있는 혁신적 접근 방식을 제시한 것이다.

이를 통해 연구팀은 전원이 필요한 기존 센서보다 20배 이상, 실리콘 기반의 무전력 센서보다 10배 이상, 기존 이황화 몰리브덴 센서보다 2배 이상 향상된 성능의 무전력 광센서 구현이 가능해졌다고 강조했다. 특히 무전력 광센서의 민감도는 생체 신호 탐지 또는 어두운 환경에서도 작동 가능한 고정밀 센서로 응용될 수 있다는 점을 시사했다.

이가영 교수는 "연구팀은 도핑 공정 없이도 2차원 반도체의 전기 흐름을 제어할 수 있는 PN 접합을 구현하는 데 성공했다"며 "이 기술은 센서 뿐 아니라 스마트폰과 전자기기 내부에서 전기를 조절하는 핵심 부품에도 활용이 가능해 미래형 전자기기의 소형·무전력화를 앞당기는 기폭제 역할을 할 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단, 한국기초과학지원연구원, 삼성전자, 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행됐다.

전기 및 전자공학부 황재하·송준기 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난달 26일 재료과학 분야 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'를 통해서도 소개됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr