그래핀 활용 광센서…100배 빠른 통신에 이용한다

국내 연구팀, 광통신용 저전력 고효율 광센서 기술 개발

▲그래핀/Si 양자점 융합구조 광센서를 응용하는 기기는 많다.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 국내 연구팀이 그래핀과 실리콘 양자점을 활용해 새로운 구조의 저전력 고효율 광센서를 개발했다. 빛을 이용한 무선통신(Li-Fi, 전파를 이용하는 Wi-Fi보다 100배 빠른 기술) 등에 활용이 가능하다. 광센서는 시각 이미징, 광통신, 스캐너, 정밀 의료기기 등 다양하게 활용되고 있다. 2014년 세계 시장은 70억 달러로 매년 15% 성장하고 있다.

양자점은 수백~수천 개 원자로 구성된 나노미터 크기의 매우 작은 결정체이다. 실리콘(규소,Si) 등 반도체 물질로 제작해 발광다이오드(LED), 질병진단 시약, 디스플레이 등 다양하게 활용된다. 광센서는 빛 또는 빛에 포함되는 정보를 전기신호로 변환해 감지한다.

현재 상용되는 실리콘 반도체 기반의 광센서는 빛의 파장이 짧아지면 효율이 떨어지기 때문에 이를 극복하기 위해 금속과 실리콘 양자점을 활용하는 연구가 계속돼 왔다. 금속은 빛의 투과성이 낮고 전기적 도체이기 때문에 효율을 높이는데 한계가 있다. 상용 광센서보다 구동효율이 낮은 단점이 있었다.

2014년 그래핀을 이용한 광센서를 개발한 연구팀은 금속을 그래핀으로 대체해 그래핀과 실리콘 양자점 융합구조의 다이오드를 제작했다. 이를 광센서에 적용함해 상용 광센서 수준의 효율(~0.35 A/W)을 보이고 가시광선 등 짧은 파장의 빛에 반응성이 향상된 광센서를 개발했다.

광센서 동작을 위한 구동전압을 기존 소자 대비 50% 이하로 낮춰 에너지 효율을 높임으로써 웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT) 관련 제품 등에서의 활용도를 강화했다. 가시광선을 이용하는 이미징 기술, 의료 진단과 검사, 빛을 이용한 무선통신(Li-fi, 전파를 이용하는 Wi-fi보다 100배 빠른 기술) 등에서의 활용이 가능하다.

연구팀이 개발한 그래핀-실리콘 양자점 광센서는 기존 광센서 공정을 그대로 활용해 제작할 수 있고 그래핀 특성을 살려 유연하고 투명한 광센서로의 응용 가능성도 크게 높였다.

경희대 최석호 교수(교신저자)가 주도하고 신동희 박사과정과 김성 교수(공동 제1저자), 한국표준과학연구원 김경중 박사가 참여했다. 나노 재료 분야의 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 3월 16일자 온라인판(논문명:Graphene/Si-quantum-dot heterojunction diodes showing high photosensitivity compatible with quantum confinement effect)에 실렸다.

최석호 교수는 "이번 성과는 꿈의 신소재인 그래핀과 실리콘 양자점으로 융합구조를 만들어 광센서에 활용한 첫 사례"라며 "기존 실리콘 공정에 기반해 대면적으로 소자를 제작함으로써 특별한 공정의 구축 없이 상용화 가능성을 높였다는데 의의가 있다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr