아주대 연구진이 실리콘 반도체 기반의 초고감도 적외선 광학 검출 소자를 개발했다. 이에 적외선 영역의 고감도·고효율의 센서가 필요한 자율주행차, 태양전지, 의료진단기기 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 전망이다.

우리 학교 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 반도체 결정 구조의 이완에 의해 발생하는 변전 효과를 이용해 우수한 성능을 가진 실리콘 기반 적외선 광센싱 소자를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 

관련 연구 내용은 ‘구조이완·변전효과에 따른 제어가능 자가전력 기반 고성능 단파장 적외선 광검출 소자(Controllable, Self-Powered, and High-Performance Short-Wavelength Infrared Photodetector Driven by Coupled Flexoelectricity and Strain Effect)’라는 제목으로 나노 분야 국제 학술지 <스몰 메소드(Small Methods, IF=14.188)> 7월19일자 온라인판에 실렸다. 이 논문은 해당 저널 권두 표지 논문(Frontispiece Cover)으로 선정됐다. 이번 연구에는 제1저자로 아주대 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수(대학원 에너지시스템학과)와 박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)가 함께 했다.

빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과(빛에 의해 형성된 전자와 정공의 이동에 의해 광 전류를 감지하는 방식)를 기반으로 하는 광센서는 신재생 에너지의 활용과 스마트폰, 사물 인터넷, 광통신 등에서 필수적인 부품이다. 그중에서도 적외선 광 검출은 활용 분야가 가장 넓어 의료 분야의 열화상 측정, 야간투시뿐 아니라 자율주행 차량의 전방 센서, 물체 이동 감지 센서 등으로도 활용된다. 적외선 광을 감지하기 위한 광센서의 동작 원리는 여러 가지가 있으나, 적외선 직접 흡수에 의해 발생한 광전효과를 이용하는 방식이 가장 높은 감도를 보인다. 이 방식은 고부가가치 응용 분야에도 적용이 가능하다. 그러나 이러한 광전효과 방식의 적외선 센서 제조를 위해서는 광 흡수 반도체의 밴드갭(반도체 소재가 빛을 흡수하기 위해 필요한 최소 에너지)이 적외선 광에너지 보다 낮아야 한다. 때문에 지금까지 주로 갈륨비소를 비롯한 화합물 반도체 소자가 적용되어 왔다. 그러나 갈륨비소 같은 화합물 반도체 소자는 가격이 매우 비싸고, 적외선 영역에서 검출 감도가 낮은 데다, 성능이 떨어지는 한계를 보여왔다. 

아주대 연구팀은 기존에는 적외선 감지 소재로 활용하지 못했던 실리콘 소재를 주목했다. 실리콘 소재에 변전효과 변전효과(소재의 국소적 변형에 의해 전기적 특성이 변하는 효과로 밴드갭 변화를 유발하기도 함)를 적용, 반도체 결정 구조에 적절한 이완효과(strain effect, 외부 응력 등에 의한 반도체 결정 구조의 탄성적 변화로 물리적 성질이 변화하는 것)가 나타나 밴드갭 에너지를 적외선 광에너지 이하로 크게 줄일 수 있음을 확인한 것. 연구팀은 이를 이용해 적외선 영역의 광학 응답성을 극대화하는 광 검출 원리를 규명하고, 광센서 구조를 개발하는 데 성공했다. 

연구팀은 금 프로브팁을 이용해 960 마이크로미터 직경 범위에 순차적으로 수 마이크로 뉴턴 크기의 미세압력을 가해, 급격한 밴드갭 에너지 감소를 유도했다. 이를 통해 적외선 파장의 빛에 대해 실리콘 반도체만으로도 높은 민감도와 검출률 및 응답도를 갖춘 우수한 소자를 얻을 수 있었다. 이는 기존에 상용화된 적외선 검출 소자에 비해 월등한 성능이다. 

특히 연구팀은 광센서에 교류 광전류를 이용, 빠르게 꺼짐과 켜짐을 반복하는 적외선 입사광 흡수를 통해 외부의 전원 공급 없이 광전효과 기반의 자가전력으로 소자를 구동했다. 연구팀이 개발한 소자의 검출 속도는 100마이크로 초(0.1 msec)로 고속 검출이 가능하며, 원자 현미경을 이용해 동일한 변전효과 기반 적외선 검출을 30나노미터 크기에서도 구현할 수 있음을 확인했다.

서형탁 교수는 “센서와 집적회로 반도체 소재로 널리 활용되는 범용 실리콘(Si) 소재를 이용하여 기존에 불가능했던 적외선 검출을 초고감도로 달성하였다는 것에 중요한 학문적·기술적 의의가 있다”며 “이 방식을 응용하면 고속·고감도 적외선 검출 소자를 기존의 실리콘 집적회로에 통합하는 것이 가능해지고 저비용·고성능 사물 인터넷(IoT) 센서로 적용할 수 있다”고 설명했다. 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다. 

* 링크 주소 : https://www.ajou.ac.kr/kr/ajou/news.do?mode=view&articleNo=112098