아주대학교 연구진이 산화물 소재를 이용, 기존 화합물 반도체 소자를 활용한 광센서보다 가격이 저렴하고 감도가 높은 적외선 광센서를 개발했다고 8일 밝혔다. 새로 개발된 저가형 고감도 광센서는 자율주행차와 신재생에너지, 사물 인터넷 등 각 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.
신재생 에너지와 정보통신, 사물 인터넷, 광통신 등 분야에 사용되는 부품인 광센서는 적외선 광을 감지해 전기 신호로 전환하는 광전효과를 기반으로 작동한다.
광센서의 동작 원리에는 여러 가지가 있는데, 센서가 적외선을 직접 흡수해 발생한 광전효과를 이용하는 방식이 가장 높은 감도를 보인다. 이러한 방식의 광센서를 제조하기 위해서는 해당 센서 내 광 흡수 반도체의 밴드갭(반도체 소재가 빛을 흡수하기 위해 필요한 최소 에너지)이 적외선 광 에너지보다 낮아야 해, 이에 적합한 게르마늄 등 화합물 반도체 소자가 제작에 사용돼왔다.
그러나 화합물 반도체 소자는 매우 비싸고 적외선 영역에서 검출 감도가 낮다는 한계가 있다.
이에 서형탁 아주대 교수 연구팀은 기존에 적외선 감지 소재로 활용하지 못했던 산화물 소재에 주목했다. 산화물 소재인 이산화타이타늄(TiO2)과 전극으로 구성된 쇼트키 다이오드에 금 소재의 프로브팁을 이용해 순차적으로 수 마이크로 뉴턴 크기의 미세압력을 가한 것이다.
이를 통해 국소적인 변전효과(소재의 국소적 변형에 의해 전기적 특성이 변하는 효과)를 유도한 결과, 기존 연구에서 수 나노미터(nm) 스케일의 국소효과로 알려져 있던 변전효과가 이종접합된 산화물과 금속에 대해서는 훨씬 규모가 큰 수 밀리미터(㎜)까지 영향을 미칠 수 있다는 점을 규명했다.
연구팀은 해당 연구 결과를 기반으로 산화물 소재를 이용해 자외선, 가시광선뿐 아니라 적외선 파장의 빛에 대해서도 높은 민감도와 속도, 검출률을 보이는 광센서 구조를 개발하는 데 성공했다. 개발된 센서는 적외선(365nm)부터 중적외선(1720nm)까지 광대역의 광 검출이 가능하다.
자가전력으로 동작해 별도의 전원이 필요 없고, 초당 천만 비트 이상 수준의 초고속 감지도 할 수 있다.
서형탁 아주대 교수는 "이번 연구 결과를 응용하면 기존에 상용됐던 저가형 범용 소재를 이용해 우수한 성능의 광센서를 구현할 수 있어 자율주행, 의료, 우주 및 군사, 신재생 에너지, 사물 인터넷, 광통신 등에서 널리 활용 가능할 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구에는 쿠마 모히트 아주대 대학원 에너지시스템학과 교수가 함께했다. 연구 성과는 소재 분야의 세계적인 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 지난달 온라인판에 실렸으며, 해당 저널 이슈의 권두 표지 논문으로 선정됐다.