사물인터넷 성능 개선시킬 고효율 광검출기 개발

   -압전효과 통해 산화아연 기반 나노와이어의 전기적 특성 및 광응답성 획기적으로 향상

   -고효율 다기능 센서에 적용…GIST 박성주 교수팀, Nano Energy 논문 게재

[그림 1] 유연기판 상에 측면으로 성장된 산화아연/황화아연 코어/쉘 나노와이어 (nanowire)의 모식도(왼쪽) 및 주사전자현미경 이미지(오른쪽)

□ GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 박성주 교수팀이 사물인터넷(IoT) 등에 활용되는 차세대 다기능 센서의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 광검출기*를 개발했다.

  ∘ 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. 

  * 광검출기: 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.

□ 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.

[그림 2] 스트레인 변화에 따른 산화아연/황화아연 코어/쉘 나노와이어 (nanowire) 소자의 전기적 특성(왼쪽)과 시간에 따른 광응답 특성(오른쪽)을 보여주는 그래프. 외부에서 빛이 조사되면, 같은 구동 전압에서 0.3%의 인장 변형률을 가질 때 (왼쪽 그래프의 핑크색 곡선에서와 같이) 가장 높은 광전류(photocurrent) 및 (오른쪽 그래프의 보라색 곡선과 같이) 우수한 광응답 특성을 보인다.

[그림 3] (a)산화아연, (b)산화아연/황화아연 코어/쉘 나노와이어 소자의 모식도. (i) 나노와이어를 따라 흐르는 전자 이동과 (ii) 나노와이어가 만나는 접합 부분에서의 전자 이동을 보여주는 모식도와 그에 따른 에너지 밴드 다이어그램. 산화아연/황화아연 코어/쉘 나노와이어는 산화아연 대비 공핍 영역(depletion region)이 줄어들어 전자가 이동할 수 있는 유효 채널이 넓어지고, type-II 밴드 구조를 갖기 때문에 전자와 정공을 공간적으로 분리시킬 수 있어 빛이 조사될 때 전자와 정공의 재결합 확률을 낮출 수 있다. 또한, 나노와이어가 서로 만나는 접합 부분에서 스트레인에 따른 내부 전하 분포가 달라지므로 이에 따른 접합 장벽(junction barrier)을 조절함으로써 전자의 이동을 제어 할 수 있다.

□ 연구팀은 산화아연(ZnO) 기반의 1차원 나노구조체를 유연한 기판 위에 정렬한 뒤, 이 나노구조체의 압전 특성*을 변화시킴으로써 같은 구동전압에서 광(光)응답성*과 전기적 특성을 향상시키는 데 성공했다.

  * 압전 특성 : 기계적 에너지와 전기적 에너지 사이의 변환이 가능한 특정한 물질의 특성. 기계적인 압력을 가하면 전압이 발생하고, 전압을 가하면 기계적인 변형이 발생함.

  * 광응답성:  광검출기의 특성을 평가하는 가장 대표적인 요인. 입사된 빛의 단위 세기당 생성된 전자 및 정공에 의해 흐르는 전류의 크기로 나타내며, 광응답성이 높으면 매우 약한 세기의 빛도 쉽게 검출할 수 있음. 

  ∘ 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.  

□ 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.

□ 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.     <끝>

대외협력팀