GIST, IoT 성능 개선시킬 고효율 광검출기 개발

GIST(광주과학기술원)는 신소재공학부 박성주 교수팀이 사물인터넷(IoT) 등에 활용되는 차세대 다기능 센서의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 광검출기를 개발했다고 24일 밝혔다.

광검출기란 반도체 물질에 입사된 빛은 반도체 물질 내에서 전자 및 정공을 생성시키는데, 이렇게 생성된 전자/정공 쌍을 가해진 전계에 따라 흐르게 하여 전류를 생성시키는 소자를 말한다. 광검출기는 스마트워치, 웨어러블 전자소자, 건강 및 의료기기, 자외선 살균 정화장치, 화재 시 불꽃 감지 시스템 등 다양한 분야에서 사용된다.

스트레인 변화에 따른 산화아연/황화아연 코어/쉘 나노와이어 (nanowire) 소자의 전기적 특성(왼쪽)과 시간에 따른 광응답 특성(오른쪽)을 보여주는 그래프

연구팀이 개발한 광검출기는 압력 센서, 가스 센서, 바이오 센서로 활용 범위를 넓힐 수 있어 다양한 센서가 집약된 ‘고효율 다기능 센서’의 보급에 기여할 것으로 기대된다.

고효율 광센서가 광통신, 시각 이미징, 카메라, 정밀 의료기기 등에 다양하게 활용되는 가운데, 특히 4차 산업혁명 시대의 핵심 기술로 꼽히는 ‘사물인터넷’이 활성화되려면 더 많은 종류의 센서가 동시에 내장되고 높은 에너지 효율을 확보해야 하는 상황이다.

하지만 광센서용 광검출기에 사용되는 단일 나노와이어(single nanowire) 기반 소자들은 출력이 현저히 떨어지는 등 상용화를 위해선 여러 기술적 문제를 해결해야 하는 실정이다.

연구팀은 산화아연(ZnO) 기반의 1차원 나노구조체를 유연한 기판 위에 정렬한 뒤, 이 나노구조체의 압전 특성을 변화시킴으로써 같은 구동전압에서 광검출기의 특성을 평가하는 가장 대표적인 요인인 광응답성과 전기적 특성을 향상시키는 데 성공했다.

연구팀은 산화아연 나노와이어의 출력을 높이기 위해 산화아연 나노와이어를 유연한 기판에 측면으로 성장시킨 뒤, 그 표면을 황화아연(ZnS)으로 합성했으며 외력에 의해 변형되는 정도(strain)를 조절해 같은 구동전압에서도 높은 광응답성을 갖게 했다.

이렇게 산화아연-황화아연 코어/쉘(core/shell) 구조를 형성하면, 외부의 빛이 조사될 때 생성된 전자와 정공을 공간적으로 분리시켜 이들의 재결합 확률이 낮아지고, 전자의 이동 및 빛에 의한 광전류가 크게 증가하는 것으로 나타났다.

이러한 산화아연-황화아연 코어/쉘 나노와이어 구조의 경우, 외부의 압력을 통해 소자를 구부려 변형률이 0.3%일 때 대조군 산화아연 나노와이어 대비 출력 전류가 8.93배, 광응답성이 23.9배 증가했다.

GIST 박성주 교수(교신저자)가 주도하고 정세희 박사과정생(제1저자) 수행한 이번 연구는, 산업통상자원부의 산업기술혁신수시개발사업 및 GIST 연구원(GIST Research Institute) 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 관련 논문은 나노 재료 분야 권위지인 나노 에너지(Nano Energy) 9월 28일자 온라인 판에 게재됐다.

박성주 교수는 “이번 성과는 광검출기 성능에 크게 의존하는 사물인터넷, 휴먼 머신 인터페이스(Human Machine Interface) 등의 구동전압을 낮춰 에너지 효율을 개선하는 데 기여할 것”이라며 “아울러 최근 주목받고 있는 차세대 광센서, 생체적응형 다기능 스마트 센서에 사용되는 산화물 기반 나노 소재의 응용을 앞당길 것으로 기대한다”고 말했다.