다아라 매거진 _ 2018.06

기술뉴스

[Technical News]그래핀-실리콘 결합으로 광센서 성능 끌어올려

자율주행차, 광통신, 정밀측광기 등 산업용 센서로 활용 가능해

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광센서는 빛에너지를 흡수해 전기에너지를 출력하는 장치로, 디지털카메라, 자율주행차, 광통신 등 활용되는 산업분야가 늘어나고 있다. 최근에는 특히 감도가 높고 제조비용이 저렴한 보급형 광센서에 대한 관심이 높아지고 있다.

이에 국내 연구진이 그래핀과 실리콘반도체를 접합해 시너지 효과로 성능이 보다 강화된 광센서를 개발했다. 이병훈 교수(광주과학기술원) 연구팀이 그래핀과 반도체 접합면에서의 특이한 전하이동 현상을 이용해, 저전력 고성능 광센서를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.

연구팀은 그래핀의 탁월한 전기이동도, 실리콘반도체의 빛에너지 흡수 능력 뿐만 아니라, 이들의 접합면에서 발생하는 특이한 전류 증폭 현상을 이용했다. 이들의 접합을 통한 상승효과는 지금까지의 광센서에서 알려지지 않은 새로운 작동 원리이다.

개발된 센서는 광반응성, 누설 전류량, 광검출 측면에서 가장 뛰어난 상용 광센서(실리콘 APD)보다 수십 배 우수한 성능을 보였다. 또한 그래핀을 반도체에 접합하는 공정이 매우 간단해 광센서 제작단가를 현저히 낮출 수 있다.

이병훈 교수는 “이 연구는 기존 그래핀 또는 반도체 광센서와는 다른 새로운 원리에 기반해 광센서를 개발한 것”이라며, “꿈의 신소재로 각광 받는 그래핀의 실용화를 앞당기고, 자율주행차, 광통신, 정밀측광기 등 다양한 산업분야에 활용될 수 있는 신기술이 될 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

연구진은 복잡하거나 비싼 공정없이 그래핀을 실리콘 기판에 전사하고 투명전극을 형성하는 간단한 공정만으로 제작이 가능한 단순한 구조이며, 공정온도도 200℃이기 때문에 유리기판, 유연기판 상에서도 제작이 가능하기 때문에 경제성도 매우 높은 기술이다.

그래핀/반도체 계면에서 발생하는 자기증폭원리는 모든 반도체에 적용할 수 있는 일반적인 원리이기 때문에, 좀 더 밴드갭이 작은 반도체를 이용하면 활용도가 더 넓은 적외선 검출기에도 적용할 수 있다.

이 기술은 그래핀의 고유한 특성인 페르미레벨 제어특성에 대한 연구를 광검출기에 적용한 결과로, 그동안 꿈의 신소재로 각광 받아오면서도 정작 광전자소자에 적용이 어려웠던 그래핀의 실용화에도 크게 기여하게 될 것이다.

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