서형탁 아주대 교수팀이 산화물 반도체 기반의 초고속·고감도 광대역 광학 검출 소자를 개발했다. 이에 고성능의 광센서가 필요한 자율주행차, 우주 및 군사 시설, 의료 분야 및 신재생 에너지 분야에널리 활용될 수 있을 전망이다.
서형탁 아주대 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 반도체 결정 구조의 이완으로 발생하는 변전효과와 초광전자 효과 초광전자(Pyrophotronic)에 의해 우수한 성능을 가지는 이산화티타늄 기반 적외선 광센서를 개발했다고 밝혔다.
관련 연구 내용은 ‘초고속 야간 투시 모니터링을 위한 중심 대칭 이종접합에서의 밀리미터 범위의 변전-초광전자 효과(Millimetre-range Induced Flexo-Pyrophotronic Effect in Centrosymmetric Heterojunction for Ultrafast Night-Photomonitoring)’라는 제목으로 지난 2월 재료·소재 분야 최상위권 저널인 <어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.924)> 온라인판에 실렸다. 이 논문은 해당 저널 이슈의 권두 표지 논문(Frontispiece Cover)으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수(대학원 에너지시스템학과, 제1저자, 사진 왼쪽)가 함께했다.
빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과를 기반으로 하는 광센서는 신재생 에너지와 정보통신, 사물 인터넷, 광통신 등의 분야에서 필수적으로 사용되는 부품이다. 그중에서도 적외선 광 검출은 ▲자율주행 차량의 전방 센서 ▲의료 분야의 열화상 측정 ▲야간 투시를 비롯한 우주·군사 시설 ▲물체 이동 감지 센서 ▲태양전지 등에 활용된다.
이처럼 광전효과 기반 광센서는 최근 부상하는 신산업 분야와 밀접하게 연관되어 있어, 미래 핵심 기술로 주목받고 있다. 최근 운용을 시작한 미 항공우주국(NASA)의 최첨단 우주 관측 장비 제임스 망원경(JWST)도 초고감도 적외선 카메라를 이용하여 우주 공간의 근적외선과 중적외선을 관측하고 있다. 이에 전 세계적으로 대학, 연구기관, 기업 등에서 활발히 연구하고 있는 분야다. 특히 미국 조지아공과대학, 듀크대학 등에서 선도적 연구를 내놓으며 해당 분야에서 두각을 나타내고 있다.
적외선 광을 감지하기 위한 광센서의 동작 원리는 여러 가지가 있으나, 적외선 직접 흡수에 의해 발생한 광전효과를 이용하는 방식이 가장 높은 감도를 보인다. 그러나 이런 광전효과 방식의 적외선 센서를 제조하기 위해서는 광 흡수 반도체의 밴드갭이 적외선 광에너지 보다 낮아야 한다. 이에 지금까지 주로 게르마늄이나 갈륨비소를 비롯한 화합물 반도체 소자가 적용되어 왔다. 그러나 이러한 화합물 반도체 소자는 가격이 매우 비싸고, 적외선 영역에서 검출 감도가 낮은 데다, 성능이 떨어지는 한계를 보인다.
아주대 연구팀은 기존에 적외선 감지 소재로 활용하지 못했던 산화물 소재를 주목했다. 이산화티타늄(TiO2)과 전극으로 구성된 쇼트키 다이오드를 구성하고 금 프로브팁을 이용해 순차적으로 수 마이크로 뉴턴 크기의 미세압력을 가해, 국소적인 변전효과를 유도한 것. 산화물 소재에 국소적인 변전효과를 적용하게 되면 중심대칭 소재에서 국소 분극현상이 나타나는데, 이 현상이 산화물과 금속이 접합된 이종접합층의 계면 접합 전위차를 변경시키게 된다.
연구팀은 기존 연구에서 수 나노미터(nm) 스케일의 국소효과로 알려져 있었던 변전효과가 중심대칭을 지니는 산화물과 금속의 이종접합에 대해서는 훨씬 많은 수 밀리미터까지 영향을 미칠 수 있음을 밝혀냄으로써 광센서 소자에 적용할 수 있게 됐다. 이를 통해 자외선, 가시광선뿐 아니라 적외선 파장의 빛에 대해서도 기존의 상용 센서를 능가하는 높은 민감도와 속도, 검출률을 보이는 광센서 구조를 개발하는 데 성공했다.
개발된 센서는 적외선(365nm)부터 중적외선(1720nm)까지 광대역의 광검출이 가능하다. 더불어 자가전력으로 동작하여 별도의 전원이 필요 없고, 초당 천만 비트 이상 수준의 초고속 감지가 가능하다. 아주대 연구팀은 새로운 소자를 이용, 야간에서 720km/hr의 속도로 이동하는 물체를 근적외선 감지 방식으로 식별할 수 있음을 개념 실험을 통해 증명했다.
서형탁 교수는 “그동안 구현이 불가능했던 적외선 검출을 새로운 방식을 통해 고속·고감도·고효율로 가능하게 했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 있다”며 “이 방식을 응용하면 기존에 나와 있는 저가형 범용 소재를 이용해 우수한 성능의 광센서를 구현할 수 있어 자율주행, 의료, 우주 및 군사, 신재생 에너지, 사물 인터넷, 광통신 등에서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.
아주대 연구팀은 이번 연구 성과를 기반으로 후속 연구를 진행, 실제 상용화가 가능하도록 높은 기술적 파급효과를 가진 소자화 기술을 추가로 개발하겠다는 목표다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 PIM인공지능반도체핵심기술개발사업과 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다.
관련 자료 링크
: https://www.ajou.ac.kr/kr/ajou/news.do?mode=view&articleNo=211705
