정민경 대구경북과학기술원(DGIST) 나노에너지융합연구부 선임연구원은 그래핀을 이용, 기존 그래핀 광검출기보다 10만배 작은 빛 에너지를 감지할 수 있는 마이크로파 광검출기를 개발했다.
개발된 그래핀 마이크로파 광검출기는 기존 그래핀 광검출기보다 감도 면에서 뛰어나 고해상도 스마트폰, 고효율 태양전지 등에 활용하는 각종 광센서의 성능을 개선할 것으로 기대를 모으고 있다.
탄소 원자 한 층으로 구성된 2차원 구조 그래핀은 우수한 전기적, 열적, 기계적 특성을 가지고 있어 꿈의 신소재라 불린다. 기초과학 및 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 디바이스, 차세대 태양전지 등의 응용과학 분야에서 연구가 진행되고 있다.
그래핀은 일반 반도체와 달리 에너지 밴드갭이 존재하지 않아 광범위한 에너지 영역대에서 빛을 흡수해 전자홀 쌍을 만든다. 전기 신호를 생성하기 때문에 광검출기와 같은 차세대 광소자로 주목받고 있다.
지금까지 개발된 그래핀 광검출기는 근적외선 영역에서부터 자외선 영역대에 이르는 에너지에서 빛을 검출할 수 있으나, 마이크로파 영역의 에너지를 활용한 연구가 진행된 바는 없었다.
검출기에 입사되는 마이크로파가 주위 환경의 에너지와 소자 공정에서 생긴 그래핀 표면의 불순물에 의한 표면전위차 보다 훨씬 작은 에너지를 가져 측정 자체가 불가능했기 때문이다.
정민경 선임연구원은 마이크로파 영역의 빛 에너지 흡수율을 높이기 위해 그래핀 p-n 접합 소자를 기판으로부터 분리해 마치 다리가 공중에 떠있는 것과 같은 브릿지 형태로 제작했다. 전자들이 불순물과 산란 없이 원거리를 이동할 수 있는 깨끗한 전자 시스템으로 제작한 것이다.
이를 통해 그래핀의 디락점을 페르미 에너지에 근접하게 내림으로써 마이크로파 영역의 빛 에너지에서 전자홀 쌍이 충분히 생성되는 것을 확인했다. 그래핀 p-n 접합에서 생성된 전자홀 쌍에 의해 p-n 접합부의 온도가 상승하고 양쪽 전극과의 온도 차이에 의해 광전류가 흐르는 것을 측정함으로써 마이크로파 영역의 빛에서 그래핀 광검출기를 구현하는데 성공했다.
정민경 선임연구원은 “그래핀 소자를 이용해 세계 최초로 마이크로파 광검출기를 개발한 것이 이번 연구의 의의”라며 “단일 소자 기반의 그래핀을 이용한 대면적 마이크로파 광검출기 등과 같은 응용 소자를 개발해 웨어러블 디바이스, 플레서블 디스플레이 등의 성능을 개선할 수 있는 후속 연구를 진행하겠다”고 말했다.
이번 연구 성과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 나노 분야 국제학술지 `나노레터스(Nano Letters)` 지난 9일자에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
