수평 아닌 '수직접합' 그래핀…광반응 ↑

차세대 디스플레이 개발에 청신호

▲이번에 적용된 그래핀 기술은 수평이 아닌 수직 결합이 특징이다.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] '꿈의 소재'로 불리는 그래핀 소자의 광반응 성능을 크게 높일 수 있는 새로운 구조의 광검출 소자가 개발됐다. 수평 접합에서 벗어나 수직 접합을 하면서 반응 성능이 탁월하게 증가했다. 이에 따라 5년 내에 투명하고 접을 수 있는 광·전자소자는 물론 디스플레이 실현이 가능할 것으로 기대된다.

그래핀은 탄소원자가 벌집 모양으로 결합된 단일 탄소원자층으로 전도성이 뛰어나면서 투명하고 유연해 차세대 전자와 광전자 소자 재료로 각광받고 있다. 광검출소자는 광신호를 감지하는 소자로 이미징(imaging), 감지(sensing)와 광통신 기기들에 사용되는 핵심부품이다.

광검출 소자로는 현재 실리콘(Si)이나 인듐갈륨비소(InGaAs)가 널리 이용된다. 그러나 딱딱하고 불투명해 접을 수 있는 투명한 광전자기기에 사용하는 데는 한계가 있다. 이 때문에 투명도와 유연성이 높은 그래핀을 이용한 광검출소자 연구가 활발한데 아직 기존 소자에 비해 광반응 성능이 크게 떨어진다는 한계가 있었다.

연구팀은 올(All) 그래핀 p-n 수직접합(정공이 전하를 운반하는 p형 그래핀과 전자가 전하를 운반하는 n형 그래핀을 수직으로 접합시킨 형태) 터널링 다이오드를 광검출소자에 적용하고 그 광반응 성능이 파장영역에 따라 기존 실리콘 소자 등과 비슷하거나 그 이상(0.4~1.0 A/W)임을 규명했다.

높은 광반응 성능의 비결은 기존 수평접합과 달리 수직접합 구조로 접합거리를 줄였기 때문이다. 빛에 의해 그래핀에 생성된 전자와 정공의 수명시간에 비해 전극 간 이동시간이 짧아 한 개의 광자가 여러 개의 전자와 정공을 생성하기 때문이라는 설명이다.

이번 연구결과는 최석호 경희대 응용물리학과 교수, 김창오 연구박사, 김성 교수 및 황의헌 성균관대 나노과학기술원 교수가 공동으로 수행했다. 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도전연구)의 지원으로 이뤄졌다. 네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications) 2월 12일자(논문명 High photoresponsivity in an all-graphene p-n vertical-junction photodetector) 온라인판에 게재됐다.

연구팀은 "이번에 개발된 기술은 광검출소자뿐만 아니라 광전자소자인 발광다이오드(LED), 태양전지 등으로도 응용될 수 있을 것"이라고 설명했다.

다음은 연구팀과 일문일답

-기존 연구와 차별되는 점은.
▲기존 그래핀 광검출 소자와 다른 새로운 구조로 만들고 대면적으로 제작하는 한편 성능을 개선했다는 점이다.

-어디에 사용할 수 있는지 알고 싶다.
▲투명하고 휘어지는 광·전자, 디스플레이와 영상(카메라·의료용 진단기 등) 기기, 이미징(imaging), 감지(sensing), 및 광통신 기기 등에 사용할 수 있다.

-실용화하는 데까지 걸리는 시간은.
▲5년에서 10년 정도의 시간이 걸릴 것으로 본다.

-실용화를 위한 과제가 있다면.
▲공정을 단순화하고 고집적화가 필요하다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr