[한국기술뉴스] DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이종수 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 황도경 박사 연구팀과 함께 반도체 적층과 도핑공정이 필요 없는 차세대 광센서를 개발하는데 성공했다고 24일(목) 밝혔다. 부착형 웨어러블 센서 등 다양한 소형 기기에 활용될 것으로 기대된다.

전자기기의 변화를 감지하는 센서 중에서도 광센서는 빛의 양, 물체의 모양이나 상태, 동작 등을 감지한다. 이때문에 광센서는 인간의 시각기능에 비유하기도 한다. 광센서를 만들기 위해서는 빛의 파장에 반응하는 반도체 물질이 있어야 한다.

주로 쓰이는 3차원 반도체는 서로 다른 성질을 가진 반도체와 금속을 물리적으로 붙인 것이기 때문에 접합 부위에서 전자의 이동이 방해받아 고성능 전자기기 개발이 힘들어진다. 반면, 2차원 반도체는 평면을 따라 이동하기 때문에 외부의 방해로부터 자유로워 빠른 속도로 이동할 수 있는 이상적인 조건을 가진다. 그러나 2차원 반도체는 빛에 의해 생성되는 전자/홀 쌍, 즉 엑시톤 분리에 필요한 높은 에너지 장벽을 가지고 있어 실제 광전소자 적용에 한계가 있었다.

이에 DGIST 이종수 교수팀은 기존의 2차원 반도체를 비롯한 저차원 반도체들이 가지는 높은 엑시톤 결합에너지를 극복할 방법으로 비대칭 전계효과를 선보였다. 2차원 반도체는 매우 얇아 전계효과로도 충분히 반도체 도핑레벨을 조절할 수 있다. 연구팀은 이에 착안해 전자빔리소그래피를 활용해 미세 나노전극을 교차로 배열해서 비대칭 전계효과를 구현할 구조를 실현했다. 2차원 반도체는 미세 나노전극 배열에 따라 전계효과를 통해 도핑레벨이 조절되어, 마치 3차원 반도체 이종접합 계면을 표면에 모사하는 효과를 최초로 발견했다.

본 연구팀에서 선보인 기술은 값비싼 반도체 적층 및 도핑공정이 필요 없어져 비용이 크게 절감되고 반도체 공정의 효율을 제고할 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 2차원 반도체 물질은 투명하고 휘어질 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 인간 피부 위와 같은 수축 팽창 환경에도 잘 견딘다. 또한, 사람이 이물감을 느끼지 않을 만큼 매우 얇은 물질이기 때문에 부착형 웨어러블 센서에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

DGIST 에너지공학전공 이종수 교수는 “이번 연구는 최근 2차원 물질의 난제인 높은 엑시톤 결합에너지를 정면으로 돌파할 수 있는 새로운 형태의 소자구조를 개발했다.”라며 “향후 후속 연구를 통해 다양한 비대칭 전계효과 디자인을 활용하여 새롭게 구현될 차세대 광센서 원천기술 개발에 집중하겠다.”고 말했다.

한편, 이번 결과는 한국연구재단에서 지원하는 중견연구자지원사업 및 대구경북과학기술원 그랜드챌린지연구혁신프로젝트(Pre-CoE) 초연결미래소자밸리트로닉스 연구단 지원을 통하여 수행됐으며, 재료화학분야의 최고 권위 있는 학회지중의 하나인 어드벤스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF :30.849)에 지난 2021년 12월 4일 온라인 게재됐다.