KAIST, 민감도 20배 '무전력 광센서' 개발…세계 최고 성능

보도기사

KAIST 전기및전자공학부 황재하, 송준기 박사과정(왼쪽부터)

KAIST 전기및전자공학부 이가영 교수팀이 외부 전원 공급 없이 작동하는 무전력 광센서를 개발했습니다.

이번 성과는 기존 센서보다 민감도가 최대 20배 높아, 현재까지 공개된 기술 가운데 세계 최고 수준입니다.

그동안 광센서 분야는 빛을 전기 신호로 바꾸는 핵심 구조인 PN 접합을 구현하기 위해 반도체에 불순물을 주입하는 도핑 공정을 사용해 왔습니다.

하지만 이황화몰리브덴(MoS₂) 같은 2차원 반도체는 원자 몇 겹 두께에 불과해 도핑 과정에서 구조가 손상되고 성능이 저하되는 한계가 있었습니다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 부분 게이트와 반데르발스 하부 전극이라는 두 가지 혁신 기술을 적용했습니다.

부분 게이트 구조는 반도체 일부에만 전기 신호를 걸어 한쪽은 P형, 다른 쪽은 N형처럼 작동하게 만들어 도핑 없이도 PN 접합 효과를 구현합니다.

반데르발스 하부 전극은 금속 전극 대신 반데르발스 힘을 이용해 전극과 반도체를 부드럽게 결합, 구조 손상 없이 안정적인 전기 신호 전달을 가능하게 합니다.

연구팀은 이를 바탕으로 전원 없이도 빛이 닿으면 전기 신호를 생성하는 고성능 광센서 구현에 성공했습니다.

민감도는 전원이 필요한 기존 센서보다 20배, 실리콘 기반 무전력 센서보다 10배, 기존 MoS₂ 센서보다 2배 이상 뛰어납니다.

이 성능은 어두운 환경에서도 작동 가능하고 미세한 생체 신호 탐지에도 충분히 적용 가능합니다.

이가영 교수는 "도핑 공정 없이도 초고민감 PN 접합을 구현해 실리콘 센서로는 불가능했던 성능을 달성했다"며 "향후 센서뿐만 아니라 스마트폰·전자기기 내부 전력 제어 부품에도 활용가능해 기기 소형화와 무전력화를 앞당길 것"이라고 밝혔습니다.

이번 연구에는 황재하·송준기 박사과정 학생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)에 7월 26일 온라인으로 실렸습니다.

TJB 대전방송 (사진 KAIST)

김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr