KAIST, 전력 없이 20배 민감한 광센서 구현

ㅣ데일리포스트=김정은 기자ㅣKAIST 전기및전자공학부 연구팀이 외부 전원 공급 없이 작동하며 기존 제품보다 민감도가 최대 20배 높은 세계 최고 성능의 무전력 광센서를 개발했다. 이번 성과는 사물인터넷(IoT), 웨어러블, 자율주행, 로봇 등 다양한 분야에서 배터리 없이 정밀한 센싱이 가능한 시대를 앞당길 것으로 기대된다.

전기 및 전자공학부 황재하, 송준기 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 19)’ 7월 26일자 온라인판에 게재됐다.

◆ 도핑 없이 구현한 고성능 PN 접합

기존 광센서에 널리 쓰이는 실리콘 반도체는 빛 반응성이 낮고, 이황화 몰리브덴(MoS₂) 같은 2차원 반도체는 지나치게 얇아 전기적 특성을 바꾸는 도핑 공정이 어렵다는 한계가 있었다.

KAIST 연구팀은 이러한 기술적 제약을 극복하기 위해 도핑 없이도 전류 흐름을 제어할 수 있는 ‘부분 게이트(Partial Gate)’ 구조와 2차원 반도체 고유 구조를 유지하는 ‘반데르발스 하부 전극(Van der Waals Bottom Electrode)’ 기술을 결합했다.

PN 접합은 P형과 N형 반도체가 만나 빛을 받았을 때 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 구조로, 광센서나 태양전지의 핵심 요소다.

이번 연구에서는 2차원 반도체 일부에만 전기 신호를 걸어 한쪽은 P형, 다른 쪽은 N형처럼 작동하도록 설계해 도핑 없이도 이상적인 PN 접합을 구현했다. 여기에 반데르발스 하부 전극을 적용해 금속 전극이 반도체 격자 구조를 손상시키지 않으면서 전기 신호 전달 효율을 높였다.

◆ 응답도 21 A/W…실리콘 센서 대비 20배 향상

연구팀이 개발한 무전력 광센서는 빛이 있는 환경에서 전력 공급 없이 전기 신호를 스스로 생성한다. 응답도는 21 A/W 이상으로, 전원이 필요한 상용 센서보다 20배, 실리콘 기반 무전력 센서보다 10배, 기존 MoS₂ 센서보다 2배 이상 높다.

이 정도 민감도면 어두운 환경에서의 물체 인식이나 생체 신호 탐지 등 고정밀 센서로 즉시 응용이 가능하다.

연구팀은 이번 성과가 센서뿐 아니라 스마트폰과 각종 전자기기 내부의 핵심 부품에도 적용 가능해 전자기기의 소형화와 무전력화를 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있다.