광신호를 감지하는 소자인 광센서. 시각 이미징과 광통신, 스캐너와 정밀 의료기기 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 광센서는 현대사회에서 그 중요성이 부각되면서 산업 성장률 역시 가파르게 상승하고 있다. 한국연구재단에 따르면 광센서 분야는 매년 15%씩 성장하고 있으며 2014년에만 세계적으로 70억 달러 규모의 시장이 형성됐다.  이런 시대 흐름에 맞춰 투명성과 유연성을 갖춘 고성능 광센서를 개발하는 것은 연구자들에게 중요한 과제가 되었다.

광통신용 저전력 고효율 광센서 기술

국내 연구진이 광통신용 저전력 고효율 광센서 기술을 개발해 주목을 받고 있다. 최석호 경희대 응용물리학과 교수팀이 그래핀과 실리콘 양자점을 활용해 새로운 구조의 저전력 고효율 광센서를 개발한 것이다. 이번 연구성과는 적외선 중심의 기존 제품과 달리 가시광선 영역의 성능문제를 해결하고 투명성과 유연성 측면에서도 높은 경쟁력을 갖춰 활용성을 크게 높였다는 평가를 받고 있다. 이 연구결과는 나노재료 분야의 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 지 3월 16일자 온라인 판에 게재됐다. 국내외에 특허도 출원한 상태다.
이번 연구는 최석호 경희대 교수가 주도하고 신동희 박사과정 및 김성 교수, 김경중 한국표준과학연구원(KRISS) 박사가 참여한 가운데 진행됐다. 최석호 교수는 “저희 연구실은 지난 6년여 동안 그래핀의 독특한 물리적 특성 중 광 특성에 대한 학문적 연구를 수행해 오고 있다”며 “그 결과를 바탕으로 그래핀 융복합 구조에 기초한 전자 및 광전자 소자를 개발해 오고 있다”며 소개를 이어갔다.
“현재 상용되는 실리콘 반도체 기반의 광센서는 빛의 파장이 짧아지면 효율이 떨어집니다. 그렇기 때문에 이를 극복하기 위해 금속과 실리콘 양자점을 활용하는 연구가 지속돼 왔습니다. 하지만 금속은 빛의 투과성이 낮고 전기적 도체이기 때문에 효율을 높이는데 한계가 있어요. 때문에 상용 광센서보다 구동효율이 낮은 단점이 있었죠,”
연구팀은 지난 2014년 그래핀을 이용한 광센서를 개발한 노하우를 활용해 기존의 한계를 극복하기 위한 연구를 이어나갔다. 금속을 그래핀으로 대체해 그래핀과 실리콘 양자점 융합구조의 다이오드를 제작하고 광센서에 적용한 것이다. 이렇게 함으로써 새롭게 개발한 광센서를 상용 광센서 수준의 효율(~0.35 A/W) 까지 끌어올렸으며, 가시광선 등 짧은 파장의 빛에 반응성이 향상된 광센서를 개발할 수 있었다.
“탄소 원자 한 층의 두께를 가지는 이차원 구조체인 그래핀은 흑연의 단층으로써 플러린 및 탄소나노튜브 등의 여러 탄소 동소체들 중 하나입니다. 그래핀은 기존에 존재하는 어떤 물질보다 매우 우수한 특성을 갖고 있어요. 그렇기 때문에 차세대 전자 및 광전자 소재로서 각광을 받고 있는 상태죠. 특히 그래핀은 빛을 100%에 가깝게 투과시킬 수 있어서 빛을 사용하는 LED와 태양전지, 광센서 등에 활발히 활용될 것으로 예상되고 있습니다. 현재 상업용으로 사용되고 있는 대부분의 광센서는 규소(Si)로 생산되고 있는데 단파장 영역에서는 광효율이 급격히 떨어지는 단점이 있습니다. 이러한 실리콘의 한계를 극복하기 위해 많은 연구자들이 양자가둠효과에 기초해 실리콘 양자점을 활용하는 방안을 추진했어요. 양자점은 원자가 수백에서 수천 개 모인 입자로, 나노미터 크기로 합성된 반도체 결정체로서 플래쉬 메모리, 질병진단 시약, 디스플레이, LED, 광센서, 태양전지 등 다양한 제품에 활용되고 있습니다.”
최석호 교수가 언급한 대로 지난 20여 년 동안 금속과 실리콘 양자점을 접합해 광전자 소자를 개발하려는 연구가 지속돼 왔다. 하지만 금속은 얇게 제작할 수 없어 불투명하고, 전기적 특성도 변화시킬 수 없어 광효율을 높이는데 한계가 있었다.

구동전압, 기존 대비 50% 이하로 낮춰

이를 극복하기 위해 최석호 교수팀은 세계 최초로 그래핀의 도핑 농도와 양자점의 크기를 조절, 최적의 성능을 갖춘 그래핀-실리콘양자점 소자구조를 개발할 수 있었다. 그 결과 광센서 동작을 위한 구동전압을 기존 소자 대비 50% 이하로 낮춰 에너지 효율을 높였으며, 이를 통해 웨어러블 기기와 IoT 관련 제품 등에서의 활용도를 강화했다.
“뿐만이 아닙니다. 가시광선을 이용하는 이미징 기술, 의료 진단 및 검사 및 빛을 이용한 무선통신(Li-fi: 전파를 이용하는 Wi-fi보다 100배 빠른 기술) 등에서의 활용도 가능해요. 성능 면에서도 많은 효과를 봤어요. 광반응도는 기존 실리콘 소자와 유사하지만(~0.35 A/W), 소자의 작동을 위해 필요한 최소전력을 절반 이하로 낮춰 에너지효율을 높였습니다. 특히 단파장 영역에서 광반응 성능을 크게 향상시켜 가시광선을 이용하는 영상 촬영, 진단 및 검사, 건강·의료, 감각기능 인공장기, 및 라이파이 등의 무선통신에서의 활용도를 높였습니다.”
무엇보다 그래핀의 도핑농도와 양자점 크기를 조절해 그래핀과 실리콘 양자점이 전기적으로 잘 접합되는 최적의 소자구조를 도출해냈다. 빛에 의해 발생한 전자와 정공들이 잘 이동하게 해 광센서의 성능을 높인 것이다.
실제로 학계는 최석호 교수팀이 개발한 그래핀-실리콘양자점 광센서에 대해, 기존 광센서 공정을 그대로 활용해 제작할 수 있으면서 그래핀 특성을 살려 유연하고 투명한 광센서로의 응용 가능성을 높였다고 평가하고 있다. 응용처는 무궁무진하다. 곡면 안경 카메라, 자동차 유리 부착 전조등 조절, 입는 군사용 광센서 등 활용할 수 있는 분야가 많기에 더욱 큰 기대를 받고 있는 상태다.
“이번 저희 연구실에서 개발한 광센서는 투명도가 높은 그래핀과 실리콘 양자점을 융합한 다이오드 구조입니다. 특히 이 기술은 기존 실리콘 소자의 단점인 단파장 영역에서의 낮은 광효율을 크게 개선했다는데 의미가 있습니다. 이번 성과는 꿈의 신소재인 그래핀과 실리콘 양자점으로 융합구조를 만들어 광센서에 활용한 첫 사례입니다. 기존 실리콘 공정에 기반해 대면적으로 매우 균일한 소자를 제작함으로써 상용화 가능성을 높였다는 데 의미가 큽니다. 학문적으로는 재료특성이 아닌 소자특성에서 처음으로 양자가둠효과를 완벽하게 증명하였다는데 큰 의의가 있죠. 앞으로 이번 성과를 바탕으로 산업화가 가능할 수 있도록 소자의 구조를 더욱 최적화해 광효율을 높이고 관련 광전자 소자인 LED, 태양전지 등에도 응용하는 연구를 진행할 예정입니다.”