세계 최초로 그래핀을 활용한 광센서, 투명하고 유연한 제품 구현 기대

국내 연구팀이 그래핀과 실리콘 양자점*을 활용하여 새로운 구조의 저전력 고효율 광센서**를 세계 최초로 개발하였다. 광센서는 시각 이미징, 광통신, 스캐너, 정밀 의료기기 등 다양하게 활용되고 있으며, 매년 15% 성장(’14년 세계 70억달러 시장)하는 산업분야로서, 동 성과는 적외선 중심의 기존 제품과 달리 가시광선 영역의 성능문제를 해결하였으며, 투명성과 유연성도 갖추는 등 활용성을 크게 높였다.

    * 양자점 : 수백～수천 개 원자로 구성된 나노미터 크기의 매우 작은 결정체. 실리콘(규소,Si) 등 반도체 물질로 제작하여 발광다이오드(LED), 질병진단 시약, 디스플레이 등 다양하게 활용
   ** 광센서 : 빛 또는 빛에 포함되는 정보를 전기신호로 변환하여 감지, LED와 유사한 구조(LED 전기→빛, 광센서 빛→전기), 바코드 스캐너는 LED와 광센서를 동시에 사용

경희대 최석호 교수(교신저자)가 주도하고, 신동희 박사과정 및 김성 교수(공동 제1저자), 한국표준과학연구원 김경중 박사가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원)의 지원으로 수행되었고, 나노․재료 분야의 권위지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 3월 16일자 온라인판에 게재되었으며, 국내외에 특허도 출원하였다.
   
  (논문명 : Graphene/Si-quantum-dot heterojunction diodes showing high photosensitivity compatible with quantum confinement effect)

□ 현재 상용되는 실리콘 반도체 기반의 광센서는 빛의 파장이 짧아지면 효율이 떨어지기 때문에, 이를 극복하기 위해 금속과 실리콘 양자점을 활용하는 연구가 지속되어 왔으나, 금속은 빛의 투과성이 낮고, 전기적 도체이기 때문에 효율을 높이는데 한계가 있어, 상용 광센서보다 구동효율이 낮은 단점이 있었다.

’14년 그래핀을 이용한 광센서를 개발한 연구팀은 금속을 그래핀으로 대체, 그래핀과 실리콘 양자점 융합구조의 다이오드를 제작하고, 광센서에 적용함으로써, 상용 광센서 수준의 효율(~0.35 A/W)을 보이고, 가시광선 등 짧은 파장의 빛에 반응성이 향상된 광센서를 개발했다.

특히, 세계 최초로 그래핀의 도핑*농도와 양자점의 크기를 조절하여 최적의 성능을 갖춘 그래핀-실리콘양자점 소자구조를 개발하였으며,

    * 도핑(doping) : 전자나 정공(양전하를 가지며, 전자처럼 행동하는 유사 입자)의 농도를 조절해 반도체의 특성을 바꾸는 과정. 정공이 많으면 p형, 전자가 많으면 n형으로 분류

광센서 동작을 위한 구동전압을 기존 소자 대비 50% 이하로 낮춰 에너지 효율을 높임으로써, 웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT) 관련 제품 등에서의 활용도를 강화하였으며, 가시광선을 이용하는 이미징 기술, 의료 진단 및 검사 및 빛을 이용한 무선통신(Li-fi: 전파를 이용하는 Wi-fi보다 100배 빠른 기술) 등에서의 활용도 가능하다.

연구팀이 개발한 그래핀-실리콘양자점 광센서는 기존 광센서 공정을 그대로 활용하여 제작할 수 있으며, 그래핀 특성을 살려 유연하고 투명한 광센서로의 응용 가능성*도 크게 높였다.

    * (예) 자동차 미러, 곡면안경 카메라, 입는 군사용 광센서 등

최석호 교수는 “이번 성과는 꿈의 신소재인 그래핀과 실리콘 양자점으로 융합구조를 만들어 광센서에 활용한 첫 사례”로서, “기존 실리콘 공정에 기반하여 대면적으로 소자를 제작함으로써 특별한 공정의 구축 없이 상용화 가능성을 높였다는데 의의가 있다”고 밝혔다.