GIST-전북대, 배터리 없이 작동하는 '자가 구동 광센서' 개발

(광주=뉴스1) 조영석 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학과 이한얼 교수 연구팀이 서로 다른 반도체를 결합해 내부에 강한 전기장을 형성, 외부 전원 없이 작동하는 자가 구동 광센서를 개발했다고 18일 밝혔다.

전북대학교 연구팀과 공동 개발한 이번 기술은 소재의 성분 비율과 빛을 가두는 표면 구조를 함께 제어해 광 감지 성능을 높인 것으로, 차세대 자가 구동 광센서의 새로운 설계 방향을 제시했다.

공동연구팀은 먼저 '아연주석질화물'의 성분 비율과 전기가 흐르는 데 관여하는 전하 운반자의 농도를 정밀하게 조절, 전기적 특성을 최적화했다.

이어 이렇게 최적화한 '아연주석질화물'에 전기적 성질이 다른 '질화갈륨'을 접합, 강한 내부 전기장(88kV/cm)을 형성해 별도의 전압을 가하지 않아도 빛을 전기 신호로 바꿀 수 있는 광센서를 구현했다.

연구진은 빛이 미세구멍의 옆면과 바닥에서 여러 차례 산란·반사되면서 소재 내부에 더 오래 머무는 점에 주목, '아연주석질화물' 표면에 미세 구멍을 규칙적으로 형성했다.

그 결과 빛을 받아 생성된 전하 운반자가 유지되는 시간이 평면 구조의 3.5나노초(ns)에서 최대 6.2나노초로 약 1.8배 늘어났다. 이는 10억분의 1초 단위의 매우 짧은 시간 동안이라도 전하를 더 오래 유지하도록 해 광 감지 성능을 높인 결과다.

이러한 '소재 조성 제어'와 '빛을 가두는 미세구조'의 결합을 통해 외부 전압을 가하지 않아도 안정적으로 빛을 감지하는 자가 구동 광센서를 구현했다.

이한얼 교수는 "이번 연구는 서로 다른 반도체를 단순히 접합하는 데 그치지 않고, 소재를 만드는 단계부터 빛이 이동하는 경로까지 함께 설계해야 자가 구동 성능을 높일 수 있음을 보여줬다"며 "앞으로 배터리 의존도를 낮출 수 있는 초저전력 센서 및 소형 전자기기용 에너지 변환 소자로 활용 범위를 넓혀가겠다"고 말했다.

이한얼 교수와 전북대학교 신소재공학부 박광욱 교수가 지도하고, GIST 재료공학과 김정현·황주찬 박사과정생이 수행한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '스몰 스트럭쳐스(Small Structures)' 8월호에 수록됐다.

기술이전 관련 협의는 기술사업화센터를 통해 진행할 수 있다.

kanjoys@news1.kr