인하대학교(총장 조명우)는 이문상·함명관 신소재공학과 교수 연구팀(이하 연구팀)이 도핑을 이용한 2차원 나노소재 기반의 초고효율 광센서 소자 제작 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 또한 관련 메커니즘을 규명하는 데에도 성공해 가볍고 잘 휘며 인체 착용이 가능한 차세대 광센서 등이 다양한 소형기기에 활용될 가능성을 열 것으로 기대했다.

광센서는 빛의 양, 물체의 모양이나 상태, 동작 등을 감지하기 위해 특정 빛의 파장에 반응하는 반도체 물질로 전자기기의 전류, 전압 등의 변화를 만들어내는 신호처리를 한다.

현재 광센서는 주로 3차원의 실리콘(Si), III-V족 등의 반도체 소재를 N형과 P형으로 층층이 쌓아 제작되고 있다. 하지만 기존의 두껍고 단단한 반도체를 휘거나 구부려 웨어러블이나 플렉시블 소자에 응용하기에는 한계가 있어 단원자층 2차원 나노소재 기반의 반도체를 이용한 광센서 개발에 대한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 그동안 2차원 반도체는 N형 반도체가 한정적이어서 P형으로 만들기 위해선 복잡한 공정과 부가비용이 들어 고성능의 2차원 소재 기반 광센서 제작에 어려움이 있었다.

연구팀은 2차원 나노 소재 물질 중 하나인 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)에 니오븀(Nb)을 도핑해 초고효율 광센서 제작이 가능한 것을 확인하고 이에 대한 원인을 규명했다.

연구팀은 화학기상증착법을 이용해 니오븀이 도핑된 단원자층의 2차원 텅스텐 디셀레나이드를 합성해 광트랜지스터 (phototransistor) 구조의 광센서 소자를 구현했다. 기존의 P형 특성을 구현하기 위한 소재 계면 상호작용법, 정전기적 도핑 방법과 달리 니오븀 원소를 도핑하면 안정적으로 P형의 단원자층 텅스텐 디셀레나이드 반도체를 제작할 수 있다.

이번 연구는 단원자층 2차원 나노 소재를 이용해 초고효율의 광센서 응용이 가능할 수 있다는 점을 실험적으로 증명하고 관련 메커니즘을 확인해 플렉시블, 웨어러블, 이미지 센서 등의 광전소자 기기로의 응용 가능성을 높였다는 평가를 받고 있다.

이문상 인하대 신소재공학과 교수는 "이번 연구성과는 2차원 나노 소재를 이용한 손쉬운 차세대 광센서 구현 기술을 확보할 뿐 아니라 차세대 고성능 광전자 기반 인공지능 시스템을 구현할 수 있는 가능성을 확인한 뜻깊은 결과물"이라고 설명했다.

함명관 신소재공학과 교수도 "이번 연구를 통해 개발된 광소자는 높은 광응답 특성을 가지면서 쉽고 안정적으로 구현이 가능해 산업적으로도 가치가 있다"며 "기존 나노 소재가 산업적으로 응용되기 어려운 단점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구 결과는 재료공학 분야의 세계적인 학술지인 ACS photonics 온라인판에 최근 선정돼 게재됐다. 제1저자로는 인하대 신소재공학과 석사과정생인 박지향 학생이 이름을 올렸다. 신소재공학과 김승규, 박규민, 윤지찬, 박진아, 유보림 학생이 공동저자로 참여했으며 이문상·함명관 교수가 공동교신저자로 함께 했다.