- 강한 내부 전기장 형성과 광 감지 성능 높여
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| 이한얼(왼쪽부터) GIST 신소재공학과 교수, 박광욱 전북대학교 신소재공학부 교수, 김정현, 황주찬 전북대학교 박사과정생.[GIST 제공] |
[헤럴드경제=구본혁 기자] 배터리나 별도의 외부 전원 없이 주변의 빛을 이용해 스스로 전기 신호를 만들어내는 차세대 광센서가 등장했다.
광주과학기술원(GIST)은 신소재공학과 이한얼 교수 연구팀이 전북대학교 연구팀과 공동으로 서로 다른 반도체를 결합해 강한 내부 전기장을 형성하고, 외부 전원 없이 작동하는 자가 구동 광센서를 개발했다고 18일 밝혔다.
광센서는 빛을 전기 신호로 변환하는 소자로 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 드론 등 다양한 분야에서 활용된다.
하지만 빛을 받아 생성된 전자와 정공을 외부 전압 없이 빠르게 분리하고 이동시키는 것이 핵심 과제다. 기존에는 서로 다른 반도체를 접합하는 ‘이종 접합’ 구조가 활용됐지만, 접합 과정에서 발생하는 결함이나 약한 내부 전기장, 낮은 광흡수율 등이 성능을 떨어뜨리는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 아연(Zn), 주석(Sn), 질소(N)로 구성된 차세대 반도체인 아연주석질화물(ZnSnN₂·ZTN)에 주목했다.
연구팀은 ZTN 박막을 제작하는 과정에서 물질의 성분 비율과 전하 운반자 농도를 정밀하게 조절했다. 이후 전기적 특성이 최적화된 ZTN과 GaN을 접합해 두 반도체 경계면에 강한 내부 전기장을 형성했다.
그 결과 내부 전기장은 88kV/cm에 달했다. 외부에서 별도의 전압을 가하지 않아도 빛에 의해 생성된 전자와 정공을 효과적으로 분리해 전기 신호로 변환할 수 있는 기반을 마련한 것이다.
연구팀은 광센서의 성능을 높이기 위해 ZTN 표면에도 변화를 줬다.
표면에 규칙적인 미세 구멍(Micro-hole)을 만들어 들어온 빛이 소재 내부에 더 오래 머물도록 한 것이다.
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| 자가 구동 광센서의 저전압·저조도 동작 특성과 상용 온·습도 센서 구동 보조 실증.[GIST 제공] |
평평한 표면에서는 일부 빛이 반사되거나 외부로 빠져나가지만, 미세 구멍 구조에서는 빛이 구멍의 옆면과 바닥에서 반복적으로 산란·반사된다. 이를 통해 소재 내부에서 빛의 체류시간을 늘리고 더 많은 전하 운반자가 생성되도록 했다.
그 결과 빛에 의해 생성된 전하 운반자의 유지시간은 기존 평면 구조의 3.5나노초(ns)에서 최대 6.2나노초로 약 1.8배 증가했다.
소재 조성과 빛의 이동 경로를 동시에 제어하면서 외부 전압이 없는 상태에서도 낮은 빛 세기를 안정적으로 감지하는 자가 구동 광센서를 구현한 것이다.
실제 활용 가능성도 확인했다. 연구팀은 개발한 광센서를 상용 온·습도 센서와 연결해 작동을 시험했다. 상용 센서가 작동하기에는 부족한 2.2V의 외부 전압 조건에서도 광센서가 빛을 받아 약 0.6V의 광전압을 생성했고, 이를 외부 전원과 함께 활용해 센서를 구동하는 데 성공했다.
이한얼 교수는 “서로 다른 반도체를 단순히 접합하는 데 그치지 않고 소재를 만드는 단계부터 빛이 이동하는 경로까지 함께 설계해야 자가 구동 성능을 높일 수 있음을 보여줬다”며 “앞으로 배터리 의존도를 낮출 수 있는 초저전력 센서와 소형 전자기기용 에너지 변환 소자로 활용 범위를 넓혀가겠다”고 말했다.
이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘스몰 스트럭쳐스(Small Structures)’에 게재됐다.
