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  • 기사등록 2018-06-12 16:44:37
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▲ 그래핀-실리콘 이종접합 광검출기 구조 모식도와 그래핀-실리콘 접촉면에서의 전자에너지 준위를 설명하는 에너지 밴드 다이어그램

국내 연구진이 그래핀과 실리콘반도체를 접합해 성능이 기존보다 강화된 광센서를 개발했다.


한국연구재단은 이병훈 광주과학기술원 교수 연구팀이 그래핀과 반도체 접합면에서의 특이한 전하이동 현상을 이용해 저전력 고성능 광센서를 개발했다고 지난 11일 밝혔다.


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


연구팀은 그래핀의 탁월한 전기이동도, 실리콘반도체의 빛에너지 흡수 능력 뿐만 아니라, 이들의 접합면에서 발생하는 특이한 전류 증폭 현상을 이용해 지금까지 광센서에서 알려지지 않은 새로운 작동 원리를 찾았다


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.

광검출기의 성능은 얼마나 많은 광에너지를 흡수할 수 있는가와 얼마나 효율적으로 전자-정공 쌍을 수집할 수 있는가에 따라 결정되는데 기존의 그래핀 기반 광검출기는 그래핀의 두께가 얇아서 충분한 광에너지를 흡수하기 힘들었다.


연구진은 그래핀과 실리콘반도체를 접합해 빛을 쪼여 광전류가 증폭하는 현상을 발생했고 해당 소자에 투명 전국을 추가해 특정한 조건에서 증폭현상을 극대화 할 수 있는 조건을 발견했다.지금까지 알려진 광검출 원리와는 다른 동작원리이다.


이병훈 교수는 “이 연구는 기존 그래핀 또는 반도체 광센서와는 다른 새로운 원리에 기반하여 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.


한편, 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 글로벌프론티어지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노소재원천기술개발사업의 지원으로 수행 됐으며. 재료과학 분야 국제학술지 스몰(Small) 6월7일자 논문으로 게재됐다.


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