전원공급 없이 빛만으로 작동하는 광센서 개발…민감도 20배

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 외부 전원 공급 없이 작동하는 무전력 광센서를 개발했다고 14일 밝혔다.

연구팀은 전기 에너지를 공급하지 않아도 빛이 있는 환경이라면 스스로 전기 신호를 만들어 낼 수 있는 'PN 접합 구조' 광센서를 도핑없이 반도체를 전기 신호에 매우 민감하게 하는 '반데르발스 하부 전극'을 도입해 만들어냈다.

PN 접합은 반도체에서 정공이 많은 P형과 전자가 많은 N형 재료를 붙인 구조다. 빛을 받았을 때 전류를 한 방향으로 흐르게 만들어 광센서나 태양전지의 핵심 요소로 쓰인다.

PN 접합을 제대로 만들려면 보통 반도체에 일부러 불순물을 넣어 전기적 특성을 바꾸는 도핑 공정이 필요하다. 다만 이황화 몰리브덴(MoS₂) 같은 2차원 반도체는 원자 몇 겹 두께로 얇아 도핑으로 구조가 망가지거나 성능이 떨어질 수 있어 PN 접합을 만들기 힘들다는 한계가 있다.

연구팀은 기존의 한계를 극복하고 성능을 극대화하기 위해 반데르발스 전극과 '부분 게이트(Partial Gate)' 등 두 가지 핵심 기술을 도입한 새로운 소자 구조를 고안했다.

이렇게 만들어진 광센서는 빛을 받기만 하면 아주 민감하게 전기 신호를 생성할 수 있어 빛을 감지하는 민감도(응답도)가 기존 센서보다 20배 이상 높았다.

실리콘 기반 무전력 센서보다 10배, 기존 MoS₂센서보다 2배 이상 높은 수준이다. 생체 신호 탐지나 어두운 환경에서도 작동 가능한 고정밀 센서로 바로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 교수는 "이 기술은 센서뿐만 아니라 스마트폰이나 전자기기 내부에서 전기를 조절하는 핵심 부품에도 활용이 가능하다"며 "미래형 전자기기의 소형화·무전력화를 앞당길 수 있는 기반이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼스'(Advanced Functional Materials)에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr