[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 이가영 카이스트 전기및전자공학부 교수 연구팀이 외부 전원 공급 없이 작동하는 무전력 광센서를 개발했다. 기존 제품보다 민감도가 최대 20배 향상된 해당 센서는 현재까지 공개된 동급 기술 가운데 최상위 수준의 성능을 보였다.

연구팀은 전기 에너지를 공급하지 않아도 빛이 있는 환경이라면 스스로 전기 신호를 만들어 낼 수 있는 ‘PN 접합 구조’ 광센서에 ‘도핑’없이 반도체를 전기 신호에 매우 민감하게 하는 ‘반데르발스 하부 전극’을 도입했다. 

‘PN 접합’은 반도체에서 P형과 N형 재료를 접합한 구조다. 빛을 받았을 때 전류를 한 방향으로 흐르게 만드는 특성을 가져 광센서나 태양전지의 핵심 요소로 알려져 있다.

PN 접합을 만들기 위해서는 ‘도핑’이라는 공정이 필요하다. 이는 반도체에 일부러 불순물을 넣어서 전기적 특성을 바꾸는 작업이다. 

하지만 MoS₂(이황화 몰리브덴) 같은 2차원 반도체는 원자 몇 겹 두께밖에 안 되기 때문에, 기존 반도체처럼 도핑을 하면 오히려 구조가 망가지거나 성능이 떨어질 수 있다.

연구팀은 기존의 한계를 극복하고 소자의 성능을 극대화하기 위해 ‘반데르발스 전극’과 ‘부분 게이트(Partial Gate)’라는 두 가지 핵심 기술을 도입한 새로운 소자 구조를 고안했다.

‘부분 게이트(Partial Gate)’구조는 2차원 반도체의 일부 영역에만 전기 신호를 걸어 한쪽은 P형처럼, 다른 쪽은 N형처럼 작동하게 제어하는 방식이다. 이를 통해 도핑 없이도 전기적으로 PN 접합처럼 작동하게 만들 수 있다.

기존 금속 전극은 반도체와 강하게 화학적으로 결합해 반도체 고유의 격자 구조를 손상시킬 수 있다는 점을 고려하여, 반데르발스 힘으로 ‘반데르발스 하부 전극(Van der Waals Bottom Electrode)’에 부드럽게 붙게 해 2차원 반도체의 본래 구조를 유지하면서도 전기 신호를 잘 전달해 주었다.

이는 소자의 구조적 안정성과 전기적 성능을 동시에 확보할 수 있는 혁신적 접근으로, 얇은 2차원 반도체에서도 구조를 망치지 않고 전기적으로 잘 작동하는 PN 접합을 구현한 것이다.

이를 통해 연구팀은 도핑 없는 고성능 PN 접합 구현에 성공했다. 

빛을 받기만 하면 아주 민감하게 전기 신호를 생성할 수 있어 빛을 감지하는 민감도(응답도)는 21 A/W 이상을 기록했다. 이는 전원이 필요한 기존 센서보다 20배 이상, 실리콘 기반 무전력 센서보다 10배, 기존 MoS₂센서보다 2배 이상 높은 수준이다. 

이는 생체 신호 탐지나 어두운 환경에서도 작동 가능한 고정밀 센서로 바로 응용될 수 있다는 의미다.

이가영 교수는 “실리콘 센서에서는 상상도 못 했던 민감도를 달성했고 2차원 반도체는 너무 얇아서 기존처럼 도핑 공정을 적용하기가 어려웠지만 그런 도핑 공정 없이도 전기 흐름을 제어하는 PN 접합을 구현하는데 성공했다”며 “이 기술은 센서뿐만 아니라 스마트폰이나 전자기기 내부에서 전기를 조절하는 핵심 부품에도 활용이 가능하여, 미래형 전자기기의 소형화·무전력화를 앞당길 수 있는 기반이 될 것”이라고 강조했다.