초록 ▼

□ 연구개요
나노변조된 그래핀과 준금속성을 갖는 그래핀 사이에 양자터널닝층을 형성시킴으로써, 양단의 그래핀들 사이에 유도되는 증강된 광게이팅효과를 기반으로 상온에서 동작하는 고성능 볼로미터를 개발함. 1차년도에는 원적외선(8~12 um) 영역의 광자를 흡수하고 광전하 전달층 역할을 하는 나노변조된 그래핀을 개발하며, 2차년도에는 양단의 그래핀에서 생성된 광전자를 효율적으로 양자터널링 시키기 위한 물질/공정을 개발하여 증강된 광게이팅 효과로 동작하는 볼로미터 소자를 구현함.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 주기적

□ 연구개요
나노변조된 그래핀과 준금속성을 갖는 그래핀 사이에 양자터널닝층을 형성시킴으로써, 양단의 그래핀들 사이에 유도되는 증강된 광게이팅효과를 기반으로 상온에서 동작하는 고성능 볼로미터를 개발함. 1차년도에는 원적외선(8~12 um) 영역의 광자를 흡수하고 광전하 전달층 역할을 하는 나노변조된 그래핀을 개발하며, 2차년도에는 양단의 그래핀에서 생성된 광전자를 효율적으로 양자터널링 시키기 위한 물질/공정을 개발하여 증강된 광게이팅 효과로 동작하는 볼로미터 소자를 구현함.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 주기적으로 나노변조된 그래핀 소자 제작 및 특성분석 수행
나노패턴위에 형성된 그래핀이 주기적으로 공간 변조됨을 확인하였고, 나노 패턴 위에 전사된 그래핀에서 주기적인 일방향 스트레인 효과와 주기적인 화학적 도핑 효과를 확인함. 제작된 나노변조된 그래핀 위에 Source/Drain 금속으로 Cr/Ni/Au 전극구조 형성 공정을 진행함
- 나노구조상에 형성된 그래핀의 광특성 분석
[나노변조된 그래핀/절연층/그래핀] 구조에 대한 적외선 영역 광특성(투과 및 흡수)분석을 유한요소(FDTD)기반의 광시뮬레이션을 통해 진행함. 그래핀의 페르미 에너지 준위가 증가됨에 따라 IR 영역 전체적으로 투과도 감소(흡수도 증가)가 증가하는 경향을 확인함.
- 패턴된 그래핀의 전기적 특성 분석
SiO₂/Si, SiN 멤브레인, 떠 있는 구조위에 전사된 패턴된 그래핀들을 온도센서로 사용하기 위한 연구를 진행함. 283K~303K 온도영역에서 온도에 따라 저항이 제곱에 비례하는 관계를 보였으며, 저항 온도센서로 동작하는 특성을 보임. 그래핀 센서들의 온도 의존성은 온도에 따른 전자이동도 관계(T^-4) 및 전자-원자격자 진동에 의한 상호작용으로 설명 할 수 있었음.
- 메타물질 구조가 적용된 마이크로 볼로미터 성능향상 연구
TiN 흡수층과 비정질-Si 저항층, 그리고 SiN_x멤브레인 지지층으로 구성된 흡수부에 1μm 크기의 홀배열을 마이크로 볼로미터 화소에 형성함. 이를 통해, 열시상수를 홀패턴이 없는 볼로미터 대비 16% 줄일 수 있었고, 적외선 흡수피크가 단파장 쪽으로 천이되며 4~8 μm대역 흡수도가 증가되는 현상을 관찰함.
- 양자 터널링층 물질/공정 개발 및 그래핀 광게이팅 기반 볼로미터 소자 구현
양자터널링층 역할을 하는 10 nm~20nm 두께의 박막층(SiO2)이 적용된 [그래핀/양자터널링층/나노변조 그래핀 구조]용 소자를 제작함. 나노변조된 그래핀 아래에 SiO₂/Metal 구조를 적용하여, 나노변조된 그래핀에 전기적인 게이트 전압을 인가하여 나노변조된 그래핀의 페르미 에너지준위 변화에 따른 증강된 광게이팅 특성을 분석함. 원적외선 광원세기 증가에 따라, 초기에 p-형 도핑이 되어있던 그래핀에 홀과 전자에 의한 광전류가 점차 증가됨을 확인함.

□ 연구개발결과의 중요성
적외선 영역에서 상온 동작하는 고감도 그래핀 기반 볼로미터를 개발하는 것 자체로도 의미가 있을 뿐만 아니라, 터널장벽층 아래에 놓인 주기적으로 나노변조된 그래핀과 위에 놓인 그래핀 구조에서의 전하 전달메카니즘 규명을 통해 그래핀의 광-전 및 열전특성 연구가 중요함. 새로운 구조의 원적외선 볼로미터는 부피를 크게 줄일 수 있고, 유연기판에도 적용이 가능하여 다양한 종류의 유연 광전자소자에 응용이 가능하여, 미래 IoT 시장에 필수적인 유연 스마트센서 기술 등에 활용되어, 관련분야 기술 경쟁력 확보 및 세계시장 선점에 기여할 수 있음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• (1) 나노패턴 구조 형성 ... 4
• (2) 나노구조상에 형성된 그래핀의 광특성 분석 ... 5
• (3) 패턴된 그래핀의 전기적 특성 분석 ... 6
• (4) 메타물질 구조가 적용된 마이크로 볼로미터 성능향상 연구 ... 7
• (5) 양자 터널링층 물질/공정 개발 및 그래핀 광게이팅 기반 볼로미터 소자 구현 ... 8
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 11