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▲ 재료연이 개발한 유연 근적외선 광검출기의 소자 구조 단면과 광센서 특성 및 반복 굽힘 시험을 통한 성능 유지 결과를 보여주고 있다.

국내 연구진이 별도의 신소재 개발이나 복잡한 공정 추가 없이 반도체 재료와 소자 내부 전기장 구조를 최적화해 유연 근적외선 광센서의 감도와 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다. 웨어러블 헬스케어와 의료 진단, 광통신 등 차세대 유연 광전자기기 적용을 위한 핵심 기반기술로 활용될 전망이다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 에너지·환경재료연구본부 권정대, 김용훈, 윤종원 박사 연구팀이 인(P) 도핑과 소자 내부 전기장 구조를 최적화해 광감도와 내구성을 높인 유연 근적외선 광검출기를 개발했다고 7일 밝혔다.

근적외선은 사람의 눈으로 볼 수 없지만 피부와 생체조직을 비교적 잘 통과해 웨어러블 기기의 심박수·혈중산소 측정, 의료 진단, 야간 영상, 광통신 등에 활용된다. 특히 피부나 곡면에 밀착할 수 있는 유연 센서 수요가 확대되고 있지만, 기존 실리콘 광센서는 반복적인 굽힘에 취약하고 유기반도체와 양자점 기반 소자는 내구성 및 환경 안정성에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 개선하기 위해 CMOS 반도체 제조공정과 호환되는 비정질 실리콘(n-a-Si:H)과 근적외선 흡수 소재인 텔루륨(Te)을 결합한 이종접합 구조를 적용했다.

특히 비정질 실리콘에 인(P)을 도핑해 내부 결함을 줄이고 전자 이동 특성을 높이는 동시에 투명전극과 비정질 실리콘 사이에 전면 전기장층(FSF)을 형성해 소자 내부의 전하 이동을 제어했다. 이를 통해 텔루륨에서 생성된 전자의 이동을 촉진하고 전자와 정공의 재결합을 억제해 광신호 손실을 줄였다.

개발된 광검출기는 기존 구조 대비 광응답도가 약 5.1배, 검출도가 약 2.6배 향상됐으며, 400~1,600nm의 넓은 파장 영역에서 안정적인 광감지 성능을 나타냈다. 또한 4,000회 반복 굽힘 시험 후에도 초기 광응답도의 90% 이상을 유지해 유연 소자로서의 기계적 내구성을 입증했다.

이번 기술은 새로운 광흡수 소재를 개발하는 대신 기존 반도체의 재료 품질과 소자 내부 전기장을 동시에 최적화해 성능을 높였다는 점에서 의미가 있다. 별도의 복잡한 공정 추가를 최소화할 수 있어 제조 비용 절감과 상용화 가능성이 높다.

또한 기존 CMOS 반도체 제조공정과 호환되는 무기반도체 기반 기술로 대면적 제조에 유리하며, 유연기판에서도 높은 성능과 내구성을 유지할 수 있어 인체 부착형 센서나 곡면 전자기기에 적용하기에 적합하다.

이에 따라 향후 웨어러블 헬스케어 기기와 의료 진단센서, 광통신 수신기뿐만 아니라 자율주행·로봇용 이미지 센서 등 곡면 또는 유연한 형태가 요구되는 차세대 광전자기기에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

권정대 한국재료연구원 책임연구원은 "이번 연구는 반도체 재료의 미세구조와 소자 내부 전기장을 동시에 제어해 유연 근적외선 광검출기의 성능을 향상한 사례"라며 "향후 웨어러블 광센서와 차세대 광전자 시스템의 핵심기술로 활용할 수 있도록 대면적 제조와 저전력 구동 기술을 접목한 차세대 플렉서블 광전자 플랫폼 연구를 이어갈 계획"이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업, 국가과학기술연구회(NST) 글로벌 TOP 전략연구단 사업, 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업, 한국연구재단 나노소재기술개발사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난 6월 18일 온라인 게재됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)