그래핀과 실리콘반도체 만나 '고성능 광센서'
그래핀과 실리콘반도체 만나 '고성능 광센서'
  • 박연수
  • 승인 2018.06.25 12:22
  • 조회수 4670
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디지털 카메라, 자율주행차, 광통신 등에 광센서 활용이 증가하고 있습니다. 광센서는 빛 에너지를 흡수해 전기에너지를 출력하는 장치인데요. 산업 전반의 활용이 다양해지고 있습니다. 최근 IoT 시대가 도래하고 센서 기반 산업이 부상함에 따라, 고감도 광센서에 대한 중요성도 높아지고 있죠.

 

이에 광주과학기술원(GIST) 연구팀은 그래핀과 실리콘반도체를 접합해 성능이 보다 강화된 광센서를 개발했습니다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 <스몰(Small)>에 게재됐습니다.

 

연구진이 개발한 그래핀- 실리콘 광센서 모식도. 출처: 한국연구재단
연구진이 개발한 그래핀- 실리콘 광센서 모식도. 출처: 한국연구재단

광센서는 빛에너지를 흡수하고 빛에너지를 전기에너지로 변환해 출력합니다. 연구진은 전기이동이 탁월한 그래핀과 빛에너지 흡수 능력이 좋은 실리콘반도체를 선택했습니다. 각각의 능력도 우수하지만 그래핀과 실리콘반도체가 만나는 부분에서 발생하는 특이한 전류 증폭현상을 이용했습니다. 두 재료의 접합을 통한 상승 효과는 지금까지 광센서에서 알려지지 않았던 새로운 원리라고 해요. 

 

연구진이 새로 개발한 제품은 현재 상용화된 광센서 중 광 반응성, 누설 전류량, 광검출 측면에서 가장 뛰어난 실리콘 Avalanche Photo Diode보다 수십 배 우수한 성능을 보였다고 합니다. 또한, 그래핀과 반도체를 접합하는 공정이 매우 간단해 제작단가를 현저히 낮출 수 있습니다.

 

개발한 광센서의 능력. 광반응성과 누설 암전류 특성. 출처: 한국연구재단
개발한 광센서의 능력. 광반응성과 누설 암전류 특성. 출처: 한국연구재단

기존 상용화된 광센서로 고성능을 구현하려면 수백볼트의 매우 높은 전압을 가해줘야 합니다. 하지만 이번에 개발한 광센서는 기존의 1/10 수준에 해당하는 전압으로도 충분히 우수한 성능을 구현할 수 있다고 합니다. 광센서의 면적도 기존의 수십배 이하로 작게 만들 수 있죠.

 

교신저자 이병훈 교수. 출처: 한국연구재단
교신저자 이병훈 교수. 출처: 한국연구재단

GIST 이병훈 교수 연구실의 '장경은' 연구원은 <이웃집과학자>와의 인터뷰에서 광센서는 광학적 에너지를 검출해 전기적 신호로 바꾸는 소자를 의미한다고 말했습니다. 또한, 이번 연구를 통해 개발한 광센서를 상용화하기 위해 스타트업 '시그마포토닉스'를 창업했다고 밝혔습니다. 

 

제1저자 장영은. 출처: 한국연구재단
제1저자 장영은. 출처: 한국연구재단

연구실 단위에서 개발된 기술을 상용 기술로 발전시키기 위해, 시제품을 제작하고 개발하고 있다고 합니다. 이병훈 교수는 "기존 그래핀 또는 반도체 광센서와는 다른 새로운 원리에 기반해 광센서를 개발한 것"이라면서 "꿈의 신소재로 각광 받는 그래핀의 실용화를 앞당기고 자율주행차, 광통신, 정밀 측광기 등 다양한 산업분야에 활용될 수 있는 신기술이 될 것으로 기대한다"고 연구 의의를 설명했습니다. 



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