세계 최초로 그래핀을 활용한 광센서, 투명하고 유연한 제품 구현 기대
국내 연구팀이 그래핀과 실리콘 양자점*을 활용하여 새로운 구조의 저전력 고효율 광센서**를 세계 최초로 개발하였다. 광센서는 시각 이미징, 광통신, 스캐너, 정밀 의료기기 등 다양하게 활용되고 있으며, 매년 15% 성장(’14년 세계 70억달러 시장)하는 산업분야로서, 동 성과는 적외선 중심의 기존 제품과 달리 가시광선 영역의 성능문제를 해결하였으며, 투명성과 유연성도 갖추는 등 활용성을 크게 높였다.
* 양자점 : 수백~수천 개 원자로 구성된 나노미터 크기의 매우 작은 결정체. 실리콘(규소,Si) 등 반도체 물질로 제작하여 LED, 질병진단 시약, 디스플레이 등 다양하게 활용
** 광센서 : 빛 또는 빛에 포함되는 정보를 전기신호로 변환하여 감지, LED와 유사한 구조(LED 전기→빛, 광센서 빛→전기), 바코드 스캐너는 LED와 광센서를 동시에 사용
경희대 최석호 교수(교신저자)가 주도하고, 신동희 박사과정 및 김성 교수(공동 제1저자), 한국표준과학연구원 김경중 박사가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원)의 지원으로 수행되었고, 나노․재료 분야의 권위지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 3월 16일자 온라인판에 게재되었으며, 국내외에 특허도 출원하였다.
(논문명 : Graphene/Si-quantum-dot heterojunction diodes showing high photosensitivity compatible with quantum confinement effect)
현재 상용되는 실리콘 반도체 기반의 광센서는 빛의 파장이 짧아지면 효율이 떨어지기 때문에, 이를 극복하기 위해 금속과 실리콘 양자점을 활용하는 연구가 지속되어 왔으나, 금속은 빛의 투과성이 낮고, 전기적 도체이기 때문에 효율을 높이는데 한계가 있어, 상용 광센서보다 구동효율이 낮은 단점이 있었다.
2014년 그래핀을 이용한 광센서를 개발한 연구팀은 금속을 그래핀으로 대체, 그래핀과 실리콘 양자점 융합구조의 다이오드를 제작하고, 광센서에 적용함으로써, 상용 광센서 수준의 효율(~0.35 A/W)을 보이고, 가시광선 등 짧은 파장의 빛에 반응성이 향상된 광센서를 개발했다.
특히, 세계 최초로 그래핀의 도핑*농도와 양자점의 크기를 조절하여 최적의 성능을 갖춘 그래핀-실리콘양자점 소자구조를 개발하였으며,
* 도핑(doping) : 전자나 정공(양전하를 가지며, 전자처럼 행동하는 유사 입자)의 농도를 조절해 반도체의 특성을 바꾸는 과정. 정공이 많으면 p형, 전자가 많으면 n형으로 분류
광센서 동작을 위한 구동전압을 기존 소자 대비 50% 이하로 낮춰 에너지 효율을 높임으로써, 웨어러블 기기, IoT 관련 제품 등에서의 활용도를 강화하였으며, 가시광선을 이용하는 이미징 기술, 의료 진단 및 검사 및 빛을 이용한 무선통신(Li-fi: 전파를 이용하는 Wi-fi보다 100배 빠른 기술) 등에서의 활용도 가능하다.
연구팀이 개발한 그래핀-실리콘양자점 광센서는 기존 광센서 공정을 그대로 활용하여 제작할 수 있으며, 그래핀 특성을 살려 유연하고 투명한 광센서로의 응용 가능성*도 크게 높였다.
* (예) 자동차 미러, 곡면안경 카메라, 입는 군사용 광센서 등
최석호 교수는 “이번 성과는 꿈의 신소재인 그래핀과 실리콘 양자점으로 융합구조를 만들어 광센서에 활용한 첫 사례”로서, “기존 실리콘 공정에 기반하여 대면적으로 소자를 제작함으로써 특별한 공정의 구축 없이 상용화 가능성을 높였다는데 의의가 있다”고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
실리콘은 반도체 산업에서 핵심적인 소재이나 띠간격이 작을 뿐만 아니라 간접천이형이서 광전자 소자 응용에는 한계가 있어 이를 극복하기 위해서 양자가둠효과(quantum confinement effect)에 기초하여 실리콘 양자점을 제작/활용하고자 하는 연구가 많이 진행되어 왔다.
광센서는 광신호를 감지하는 한 개의 단일성능 소자로서 뿐만 아니라 한 칩 위에 발광소자, 광도파관, 광검출소자 및 전자소자들로 구성된 광전자 집적회로의 핵심부품으로 사용되고 있다. 현재 상업용으로 사용되고 있는 실리콘(Si) 광센서는(그림1) 띠구조의 한계로 단파장 영역에서는 광효율이 급격히 떨어지기 때문에 이 영역에서는 GaN, AlGaN, 및 ZnO 등과 같은 띠간격 에너지가 큰 반도체들이 유력하게 연구되고 있다. 그러나 아직까지는 고성능의 구현이 어려울 뿐만 아니라 제조과정이 기존의 Si 공정에 부합하지 못하기 때문에 공정 단가가 매우 높다는 단점이 있다.
실리콘을 양자점으로 제작하여 금속/실리콘 양자점의 구조에(그림1) 기반하여 광전자 소자를 개발하려는 연구가 오래 동안 지속되어 왔으나 금속은 얇게 제작하는 데에 한계가 있어서 불투명하고 그 전기적 특성을 변화시킬 수가 없기 때문에 광효율을 높이는데 한계가 있었다. 그래핀은 원자단일층으로 얇아 투명도와 유연성이 높고 빛을 잘 흡수할 뿐만 아니라 반도체와 잘 접합되도록 전기적 특성을 쉽게 변화시킬 수가 있어서 실리콘 양자점에 금속 대신 적용하면 고효율의 광센서를 개발할 수 있을 것으로 예측할 수 있다.(그림1) 또한 최근에 투명하고 휘어지는 광전자 응용의 가능성으로 그래핀 기반 광센서에 대한 연구발표가 보고되고 있으나 그 성능은 상업적인 수준에 크게 못 미친다.
2. 연구내용
연구팀은 그래핀/실리콘 양자점 융합구조 다이오드를 처음으로 제작하고, 광센서에 적용하여 상대적으로 낮은 구동전압에서도 그 광반응 성능이 파장영역에 따라 기존 실리콘 소자 등에 필적하며(～0.35 A/W) 특히 단파장(고에너지) 영역에서 광반응도가 크게 향상된 것을 밝혔으며 처음으로 소자 수준에서 양자가둠효과를 완벽하게 증명하였다. (그림2 우측)
그래핀/실리콘 양자점 융합구조 광센서를 제작하기 위해서 먼저 실리콘 웨이퍼 위에 이온빔 스퍼터링법(ion beam sputtering)에 의해 실리콘 양자점을 25층, 약 100 nm의 두께로 균일하게 제작하고 (그림2 좌측 아래), 화학기상증착법 (chemical vapor deposition, CVD)으로 성장한 그래핀을 실리콘 양자점 층에 수직으로 접합한 후 전극을 그 위에 증착함으로써 그래핀/실리콘 양자점 다이오드형 광센서를 제작하였다. (그림2 좌측 위)
그래핀/실리콘 양자점 융합구조 광센서의 높은 광반응 성능의 비결은 기존의 금속/실리콘 양자점 구조 광센서와는 달리 그래핀의 투명도가 높아 실리콘 양자점이 빛을 더 잘 흡수하고 그래핀의 도핑농도와 양자점의 크기를 변화시켜 그래핀의 페르미 준위와 양자점의 띠간격 에너지를 각각 변화시킴으로써 그래핀과 실리콘 양자점이 전기적으로 잘 접합되도록 하여 같은 세기의 빛에 의해서 더 많은 전자 및 정공이 생산되고 전극에 더 잘 수집되었기 때문이다. 즉, 실리콘 양자점 층에서 생성된 전자와 정공들이 그래핀/실리콘 양자점 계면에서 방해없이 잘 이동하도록 그래핀의 도핑농도와 양자점의 크기를 적당히 조절하여 그래핀의 페르미 준위와 양자점의 띠간격 에너지를 최적화했기 때문이라는 해석이다.
3. 기대효과
본 연구결과는 그래핀/실리콘 양자점 융합구조를 세계 최초로 광전자 소자에 활용한 연구성과일 뿐만 아니라 개발한 다이오드형 광센서가 상대적으로 낮은 구동전압에서도 기존 상업용으로 시판되고 있는 Si 광센서의 성능에 필적하고 단파장 영역에서의 광반응도가 획기적으로 향상된다는 사실이 밝혀짐으로써 가시광선을 이용하는 이미징 기술, 의료 진단 및 검사 및 빛을 이용한 무선통신(Li-fi: 전파를 이용하는 Wi-fi보다 100배 빠른 기술) 등에서의 활용도 가능할 것으로 예상된다.(그림3) 또한 그래핀/실리콘 양자점 융합구조는 근본적으로 동일한 구조에 기반하고 있는(그림4) 다양한 광ㆍ전자 (디스플레이, LED, 및 태양전지) 기기들에 필요한 소자들의 기본 구조가 될 수 있을 것으로 기대된다.
개발된 그래핀/실리콘 양자점 융합구조 광센서는 기존의 Si 공정인 이온빔 스퍼터링 및 CVD 방법에 기반하여 대면적으로 소자를 제작함으로써 그래핀 및 실리콘 양자점을 기반으로 하는 소자들의 실용화 가능성이 더욱 높아질 것으로 보인다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
그래핀/실리콘 양자점 융합구조를 최초로 개발하고 광센서에 응용한 연구로서, 기존 실리콘 소자의 성능에 필적하면서도 단파장(고에너지)영역의 광반응도를 크게 높이고 양자가둠효과를 소자 수준에서 완벽하게 증명하였다는 것이 매우 중요한 성과임.
어디에 쓸 수 있나
광‧전자, 디스플레이 및 영상(카메라, 의료용 진단기 등) 기기, 이미징(imaging), 감지(sensing) 및 광통신 기기 등에 응용될 수 있음.
실용화까지 필요한 시간은
5 - 10 년
실용화를 위한 과제는
기개발된 그래핀 기반 각종 광전자소자와 경쟁관계에 있지만 기존 실리콘 공정에 잘 부합한다는 장점이 있어서 소자의 소형화 및 집적화를 통한 실용화가 잘 될 것으로 사료됨
연구를 시작한 계기는
실리콘 양자점의 물성 및 소자 응용에 대해서 15년 이상 연구한 경험을 바탕으로 실리콘 양자점을 그래핀과 접목하면 그래핀의 독특한 성질에 의해 광효율을 크게 높일 수 있다는 아이디어에서 시작하였음.
에피소드가 있다면
가장 중요한 물리변수인 그래핀의 도핑농도와 실리콘 양자점의 크기에 대한 광반응도의 변화가 이론적 예측과 너무 잘 맞아 떨어져서 처음엔 오히려 당황하였음.
꼭 이루고 싶은 목표는
본 소자를 실용화하는 것과 그래핀/실리콘 양자점 융합구조에 기반하여 LED와 태양전지도 개발하는 것임.
신진연구자를 위한 한마디
시간이 걸리더라도 근본을 추구하는 연구에 매진하는 것이 중요하며 성공할 경우 얻는 것도 훨씬 큼.
용 어 설 명
1. 어드밴스트 머티리얼즈 (Advanced Materials)
. 독일 Wiley-VCH에서 발간하는 온/오프라인 과학 잡지로서 나노/재료 분야에 걸쳐 가장 중요한 연구 결과를 주간으로 발간하는 국제 학술지 (2014년 기준 영향력지수 IF = 15.409).
2. 그래핀(graphene)
. 탄소 단일 원자층으로 구성된 2차원 물질로 벌집모양의 구조를 가지고 있으며 이상적인 단층 그래핀은 상온에서 97.7%의 광 투과율을 보이며 15,000 cm2V-1s-1의 전자 이동도를 보인다.
. 높은 전하 이동도와 전류밀도, 뛰어난 열전도도, 낮은 발열량, 높은 기계적 강도, 소자 패터닝의 간단함, 탁월한 유연성 및 신축성 등의 특성 때문에 휘거나 접을 수 있는 투명한 전자 및 광전자 소자로의 응용 가능성을 인정받고 있다.
3. 실리콘 양자점 (Si quantum dot)
. 10nm 이하의 실리콘 나노입자로서 보통 산화막 또는 질화막 안에 형성되며 소위 양자가둠효과에 의해 실리콘의 단점인 낮은 광효율을 향상시킬 수가 있으며 양자점의 크기에 따라서 띠간격 에너지를 가시광선 영역으로 변화시킬 수가 있어서 LED, 광센서 및 태양전지 등의 광전자 소자의 재료로 각광받고 있다.
. 이온주입법, CVD, RF 스퍼터링 및 이온빔 스퍼터링 등 여러 가지 방법으로 제작할 수 있으나 본 연구에서 사용한 이온빔 스퍼터링 방법은 초고진공 하에서 불순물을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 양자점을 균일하게 제작하고 크기를 정교하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
4. 양자가둠효과(quantum confinement effect)
. 반도체 나노입자의 크기가 작아짐에 따라서 띠간격 에너지가 커지는(역으로 파장은 작아지는) 원리, 실리콘은 띠간격 에너지가 1.1eV로서 근적위선 영역에 해당하지만, 10nm 이하로 작아지면 띠간격 에너지를 가시광선 영역으로 높일 수 있다.
. 물질 수준에서는 여러 소재들에 대해서 증명이 되어 있으나, 소자 수준에서의 완벽한 증명은 본 연구가 처음이다.
5. 광센서(photosensor)
. 광신호를 감지하는 기능을 하는 소자로서 한 개의 단일성능 소자일 뿐만 아니라 한 칩 위에 발광소자, 광도파관, 광검출소자 및 전자소자들로 구성된 광전자 집적회로의 핵심부품임.
. 빛을 받으면 전류의 구성요소인 전자와 정공의 양이 증가하여 빛을 쪼이기 전에 비해 전류가 급격히 증가하는데 이를 광전류라고 하며, 광반응도의 척도가 된다.
. 넓은 파장영역에서 고분해능 및 고감도가 요구되는 생화학 분야 등의 이미징(imaging), 원거리 감지(sensing), 및 광통신 기기에 사용되고 있다.
6. 광효율
. 광센서에 입사한 빛의 세기(단위시간당 에너지)에 대한 광전류의 비율, 입사한 빛의 에너지에 대해서 광전류로 생산되는 에너지 효율을 말한다.
그 림 설 명
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그림1. Si 광센서, 금속/Si 양자점 광센서, 및 그래핀/Si 양자점 광센서의 비교
1) 상용중인 Si 광센서: 대표적으로 사용되는 광다이오드로서 파장영역이 200～ 1100nm의 자외선-적외선의 넓은 파장대역에서 이용되는 센서로서 0.1pW/cm2 ~ 10mW의 광량을 감지할 수 있으며, 광신호에 대한 직선성이 양호하고 고속응답, 저잡음 등의 장점을 가지고 있지만, 낮은 출력신호로 인하여 Si 광다이오드를 개선하거나 물질을 대체하거나 구조를 변경하고자 하는 연구개발이 진행중이다.
※ 예를 들어 Si 광센서의 출력특성을 향상시키기 위하여 트랜지스터의 베이스에 Si 광다이오드를 접속한 광트랜지스터나 Si 광다이오드와 OP Amp를 일체화한 광집적회로와 같은 일종의 광센서모듈 (또는 시스템 센서)이 있지만, 검출 정밀도의 향상, 소형화, 고기능화, 저소비 전력화 등의 문제들이 여전히 남아 있다. CdS와 같은 광전도형 센서는 인간 눈의 시감도와 유사한 520 nm에서 광효율의 최고점 파장을 가지며, 저가격으로 제조가 가능하고 월광이나 직사광선과 같은 극단적인 미약광이나 매우 강한 광량에서도 감응할 수 있고 광의 유무에 따라서 104 ~ 105에 이르는 광범위한 저항변화, 내잡음성, AC/DC 회로에서 의 사용의 용이성 등 Si 광다이오드 비하여 우수한 점이 있으나, 작동전압 (40 ~ 500 V)이 높고 동작속도가 느린 단점이 있으며, 무엇보다 2006년 7월 1일부터 적용하는 RoHS(특정유해물질 사용제한)에 따라서 더 이상 Pb, Cd 기반의 물질들은 사용에 제한을 받는다.
2) 금속/Si 양자점 광센서: 20 여년간 연구되어 왔으나 금속은 빛의 투과율이 작고 그 특성을 바꿀 수가 없어서 광효율이 낮아 상용화되지 못하였다.
3) 그래핀/Si 양자점 광센서: 그래핀은 투과율이 거의 100%이고 도핑에 의해 그 특성을 바꿀 수 있어 Si 양자점과 최적의 전기적 접합을 이룰 수 있는 조건을 양자점의 크기도 동시에 변화시키면서 도출할 수 있어서 광효율을 극대화 할 수 있다.
그림 2. 그래핀/실리콘 양자점 융합구조 광센서의 개략도, 실리콘 양자점의 전자현미경 사진, 및 양자점의 크기에 따른 광반응도 스펙트럼
(좌측 위) 전형적인 그래핀/실리콘 양자점 융복합 광센서의 모식도.
(좌측 아래) 실리콘 양자점 층의 투과 전자현미경 사진으로 실리콘 양자점/실리콘 산화막이 25 층, 대략 100 nm의 두께로 형성되어 있다. 내부 사진은 한 개의 양자점 안에 실리콘 원자들이 규칙적으로 배열되어 있는 것을 보여 주는 것으로 결정이 형성되어 있음을 의미한다.
(우측) 광센서의 광반응도 스펙트럼, 양자점의 크기가 작아짐에 따라서 스펙트럼이 단파장(고에너지) 쪽으로 이동하는 것을 보여주고 있어서 소위 양자가둠효과를 처음으로 소자 수준에서 완벽하게 증명하고 있다.
그림3. 그래핀/Si 양자점 융합구조 광센서의 개략도 및 응용가능한 기기들의 예
그래핀/Si 양자점 광센서는 가시광선 영역에서 광반응도가 획기적으로 향상되었기 때문에 가시광선 영역의 광센서 기능이 필요한 여러 기기들에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
그림 4. 같은 구조로 구현할 수 있는 LED와 광센서의 원리 비교
1) 광센서: 빛을 흡수하여 광전류를 발생시키는 소자, 즉 광 신호를 전기 신호로 변환하는 소자이며 이미징, 센싱, 및 광통신 등에 활용된다.
2) LED: 전기적인 신호를 광 신호로 변환시키는 소자로서 소자에 공급된 전류에 의해서 생산된 전자와 정공의 결합에 의해서 빛이 발생하게 된다. 조명, TV, 디스플레이, 식물공장 등의 광원으로 사용되고 있다.
그림에서 보는 봐와 같이 본 연구에서 개발된 그래핀/Si 양자점 융합구조는 광센서 및 LED로서 동시에 응용이 가능하다. 제작된 소자에 적당한 전압을 인가 한 후 빛을 조사하게 되면 빛을 조사하기 전보다 큰 전류(광전류)를 발생시키게 되어 광센서로서의 역할을 할 수 있으며, 소자에 상대적으로 더 높은 전압을 인가하게 되면 전기에너지에 의해 발생된 전자와 정공들이 생산되고 이것들이 결합함으로써 빛을 방출하게 된다. 다만, 빛의 방출을 용이하게 하기 위해서는 소자의 크기를 광센서보다는 작게 만들어 전류밀도를 높여야 하는 차이점이 있다.
