KAIST가 빛을 에너지원으로 작동하는 세계 최고 성능의 무전력 광센서를 개발했다.
이 기술은 향후 웨어러블 기기, 생체신호 모니터링, IoT 기기, 자율주행 자동차, 로봇 등에서 배터리 없이 작동하는 정밀 센서와 스마트폰 등 전자기기의 소형화화 무전력화에 활용될 수 있다.
KAIST 전기및전자공학부 이가영 교수팀이 외부 전원공급 없이 작동하면서도 기존 제품보다 민감도가 최대 20배 향상돼 동급 기술 중 최상위 성능을 갖는 무전력 광센서를 개발했다.
연구팀은 빛으로 전기신호를 만들어 내는 ‘PN 접합구조 광센서’를 개발했다. PN 접합은 반도체에서 P형과 N형 재료를 접합해 빛을 받으면 전류를 한 방향으로 흐르도록 한다.
PN 접합은 반도체에 불순물을 넣어 전기적 특성을 바꾸는 ‘도핑’ 작업이 필요하다.
이 때 이황화몰리브덴 같은 2차원 반도체는 원자 몇 겹의 두께에 불과해 기존 반도체처럼 도핑을 하면 구조가 망가지거나 성능이 떨어질 수 있어 이상적인 PN 접합을 만들기 어려웠다.
연구팀은 이런 한계를 극복하고 소자 성능을 극대화하기 위해 ‘반데르발스 전극’과 ‘부분 게이트’ 기술을 구상했다.
부분 게이트 구조는 2차원 반도체의 일부 영역에만 전기신호를 보내 한쪽은 P형처럼, 다른 쪽은 N형처럼 작동토록 제어하는 방식으로, 이렇게 하면 도핑 없이 전기적으로 PN 접합처럼 작동한다.
연구팀은 기존 금속전극이 반도체와 강하게 화학적으로 결합해 반도체 고유의 격자구조를 손상시킬 수 있음에 따라 반데르발스 하부 전극에 부드럽게 붙도록 해 본래 구조를 유지하면서도 전기신호를 전달토록 했다.
이는 소자의 구조적 안정성과 전기적 성능을 동시에 확보할 수 있는 혁신적 방법으로, 얇은 2차원 반도체의 구조를 유지하면서 전기적으로 잘 작동하는 PN 접합을 구현한 것이다.
그 결과 빛 감지 응답도는 21A/W 이상으로, 이는 전원이 필요한 기존 센서보다 20배, 실리콘 기반 무전력 센서보다 10배, 기존 이황화몰리브텐 센서보다 2배 이상 높은 성능을 달성했다.
이 같은 민감도는 생체신호 탐지나 어두운 환경에서도 작동가능한 고정밀 센서로 사용할 수 있다.
이 교수는 “실리콘 센서에서 상상도 못 했던 민감도를 달성하고 얇아서 도핑공정을 적용하기 어려웠던 2차원 반도체에 전기흐름을 제어하는 PN 접합을 구현하는데 성공했다”며 “이 기술은 센서뿐 아니라 스마트폰 등 전자기기 내부의 전기를 조절하는 핵심 부품으로 활용해 소형화와 무전력화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 전기및전자공학부 황재하·송준기 박사과정dl 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 26일 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 19)’에 개제됐다.
(논문명: Gated PN Junction in Ambipolar MoS2 for Superior Self-Powered Photodetection ※DOI: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202510113)
