대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)는 이종수 에너지공학전공 교수 연구팀이 빛을 전류나 전압으로 변환하는 포토트랜지스터에서 새로운 이종접합 구조를 개발하고, 광전류 생성 위치와 노이즈 전류 생성의 원인을 규명했다고 28일 밝혔다. 태양전지 및 다양한 광전류 생성 소재 및 소자 연구에 중요한 지표를 제공할 것으로 기대된다.
2차원 물질은 물질을 구성하는 원자들이 마치 종이처럼 얇게 하나의 층으로만 구성돼 있는 물질을 뜻한다. 그 중에서도 '전이금속 디칼코게나이드(TMDC)'는 우수한 물리적 성질과 전기적 특성을 지닌 차세대 반도체 물질이다. 하지만 광전류 생성 원리 및 전하 균형 최적화 등 다양한 조건을 만족해야 한다.
연구팀은 광전류 생성에 충분한 에너지 확보를 위해 서로 다른 세 종류의 TDMC를 붙여 새로운 구조의 포토트랜지스터를 개발했다. 개발된 포토트랜지스터는 양극의 텅스텐 디셀레나이드(p-WSe₂), 음극의 이황화텅스텐(n-WS₂)과, 이황화몰리브덴(n-MoS₂) 세 종류 TDMC이 접합된 이종접합 포토트랜지스터다. 연구팀은 개발한 포토트랜지스터를 이용해 광전류가 생성되는 정확한 위치 분석과 전류량 측정 연구를 성공했다.
또 실시간 광전류 매핑시스템을 자체 개발해 광전류 생성의 정확한 위치를 정확하게 분석할 수 있도록 했다. 전자와 정공 사이 전하 균형에 따라 플리커 노이즈와 샷 노이즈 원인 분석 연구도 함께 진행했다.
이번 연구는 2차원 소재 및 하이브리드 소재를 이용한 태양전지, 광센서, 전계발광소자 개발에 필요한 광전류 생성 원리와 위치 등을 정확히 규명·추적하는데 지표가 될 전망이다.
이종수 교수는 “이차원 TMDC 소재 우수성을 잘 활용하면 새로운 물성 확보 및 소자특성을 개선한 전자 및 광전소자 개발이 가능할 것이라는 생각에 연구를 시작하게 됐다”면서 “실용화를 위해 다양한 추가 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.
이번 연구는 DGIST 에너지공학전공 나현수, 정민혜 석박통합과정생이 공동 주저자로 참여했으며, 한국연구재단의 중견후속과제 및 DGIST Pre-CoE 연구과제 지원하에 수행됐다. 연구결과는 최근 재료과학, 물리학 분야 최고 학술지 중 하나인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
