KAIST, 전력 없이 빛만으로 20배 민감한 센서 개발

무전력 광센서 연구···기존 대비 응답도 20배 높아

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 웨어러블 기기, 자율주행 자동차, 로봇 등에 광원만 있으면 배터리 없이 정밀한 센싱이 가능한 시대의 가능성을 제시했다.

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

황재하 박사과정, 송준기 박사과정.(사진=KAIST)

연구팀은 전기 에너지를 공급하지 않아도 빛이 있는 환경이라면 스스로 전기 신호를 만들어 낼 수 있는 ‘PN 접합 구조’ 광센서를 ‘도핑’없이 반도체를 전기 신호에 민감하게 하는 ‘반데르발스 하부 전극’을 도입했다.

PN 접합은 반도체에서 P형(정공이 많은)과 N형(전자가 많은) 재료를 접합한 구조이다. 빛을 받았을 때 전류를 한 방향으로 흐르게 만들기 때문에 광센서나 태양전지의 핵심 요소로 알려져 있다.

PN 접합을 제대로 만들려면 ‘도핑’이라는 공정이 필요한데 반도체에 불순물을 넣어서 전기적 특성을 바꾸는 작업이다. 하지만 이황화 몰리브덴 같은 2차원 반도체는 원자 몇 겹 두께밖에 안 되기 때문에 기존 반도체처럼 도핑을 하면 오히려 구조가 망가지거나 성능이 떨어질 수 있어 이상적인 PN 접합을 만들기 어려웠다.

연구팀은 기존 한계를 극복하고 소자의 성능을 극대화하기 위해 ‘반데르발스 전극’과 ‘부분 게이트’라는 두 가지 핵심 기술을 도입한 새로운 소자 구조를 고안했다.

‘부분 게이트’구조는 2차원 반도체의 일부 영역에만 전기 신호를 걸어 한쪽은 P형처럼, 다른 쪽은 N형처럼 작동하게 제어하는 방식이다. 이렇게 하면 도핑 없이도 전기적으로 PN 접합처럼 작동하게 만들 수 있다.

또 반데르발스 힘으로 ‘반데르발스 하부 전극’에 부드럽게 붙게 해 2차원 반도체의 본래 구조를 유지하면서도 전기 신호를 전달하게 했다.

연구팀은 도핑 없이도 고성능 PN 접합 구현에 성공해 외부 전원이 없어도, 빛을 받기만 하면 민감하게 전기 신호를 생성하게 했다. 분석 결과, 빛을 감지하는 민감도(응답도)는 전원이 필요한 기존 센서보다 20배 이상이고, 실리콘 기반 무전력 센서보다 10배 높는 수준으로 나타났다.

이가영 교수는 “이번 기술은 센서뿐만 아니라 스마트폰이나 전자기기 내부에서 전기를 조절하는 핵심 부품에도 활용이 가능해 미래형 전자기기의 소형화·무전력화를 앞당길 기반이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 달 26일자로 온라인 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)