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GIST, 외부 전원 없는 자가 구동 광센서 개발
(왼쪽부터) 이한얼 GIST 신소재공학과 교수(차세대에너지연구소 겸무), 박광욱 전북대학교 신소재공학부 전자재료공학전공 교수, 김정현 재료공학과 박사과정생, 황주찬 박사과정생 / GIST 제공
[투데이에너지 김원빈 기자] 광주과학기술원(GIST)이 외부 전원 없이 빛을 감지하고 전기 신호로 변환하는 자가 구동 광센서 기술을 개발했다.
GIST 신소재공학과 이한얼 교수 연구팀은 전북대학교와 공동으로 아연주석질화물(ZnSnN₂)과 질화갈륨(GaN)을 결합한 이종 접합 구조를 통해 센서 내부에 강한 전기장을 형성했다고 밝혔다.
연구팀은 소재 조성과 전하 운반자 농도를 조절해 접합면에 88kV/cm의 내부 전기장을 구현했다. 이를 통해 외부 전압 없이 빛으로 생성된 전자와 정공을 분리해 전기 신호로 변환할 수 있도록 했다.
아연주석질화물–질화갈륨 이종 접합 기반 자가 구동 광센서의 구조와 내부 전기장 형성 원리 / GIST 제공
또한 아연주석질화물 표면에 미세 구멍 구조를 형성해 빛의 산란과 반사를 늘렸다. 이에 따라 전하 운반자의 유지 시간은 기존 평면 구조의 3.5나노초에서 최대 6.2나노초로 약 1.8배 증가했다.
연구팀은 개발한 광센서를 상용 온·습도 센서와 연계해 실제 구동 가능성도 확인했다. 광센서가 빛을 받아 약 0.6V의 광전압을 생성하면서 외부 전력 사용량을 줄일 수 있음을 확인했다.
이한얼 교수는 “소재의 전기적 특성과 빛의 이동 경로를 함께 설계해 자가 구동 성능을 높였다”며 “향후 초저전력 IoT 기기와 소형 전자기기용 에너지 변환 소자로 활용 범위를 확대할 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 'Small Structures'에 7월 31일 온라인 게재됐으며 8월호에 수록됐다.