그래핀 융합해 기존 실리콘 소자 단점 해결
<어드밴스드 머티리얼스> 논문 게재·국내외 특허출원

응용물리학과 최석호 교수 연구팀이 그래핀과 실리콘 양자점으로 이루어진 고효율 광센서를 개발했다. 이번 연구는 그래핀-실리콘 양자점 융합구조를 세계 최초로 광전자 소자에 활용하고, 가시광선 등 짧은 파장에서 빛에 대한 효율이 급격히 떨어지는 기존 실리콘 소자의 단점을 해결했다는 데 큰 의의가 있다. 연구결과는 나노·재료 분야 권위지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)> 3월 16일자 온라인판에 게재됐으며, 국내외 특허출원도 마쳤다.

특별한 공정 구축 없이 상용화 가능성 높여
광센서는 빛을 전기신호로 변환해 물체의 모양이나 상태·움직임 등을 감지하는 센서로 이미징, 원거리 감지, 광통신 등에 널리 사용되고 있다. 상용화된 실리콘 광센서의 단점을 개선하기 위해 지난 20여 년간 금속-실리콘 양자점 구조에 기반한 연구가 지속돼 왔다. 그러나 금속은 얇게 제작할 수 없고, 불투명하고, 빛 투과성이 낮고, 전기적 특성도 변화시킬 수 없어 효율을 높이는 데 한계가 있었다. 최석호 교수 연구팀은 금속 대신 그래핀을 활용해 한계를 극복했다. 최 교수는 “그래핀은 원자단일층으로 매우 얇아 투명하고 유연하며 빛을 잘 흡수할 수 있을 뿐 아니라 전기적 특성도 쉽게 변화시킬 수 있어 실리콘 양자점과 그래핀을 접목하면 광효율이 높은 광센서를 개발할 수 있다”고 말했다.

연구결과, 그래핀-실리콘 양자점 융합구조의 광센서는 광반응 성능이 기존 실리콘과 유사하면서 에너지 효율이 높아졌다. 특히 짧은 파장 영역에서 광반응성이 크게 향상돼 가시광선을 이용하는 근거리 통신에도 활용할 수 있다. 공정 효율도 높였다. 최석호 교수는 “기존 실리콘 공정에 기반해 대면적으로 소자를 제작함으로써 특별한 공정 구축 없이 상용화의 가능성을 높였다”고 밝혔다.  
 
디스플레이·LED·태양전지·라이파이에 활용
이번에 개발된 그래핀-실리콘 양자점 융합구조는 디스플레이, 발광다이오드(LED), 태양전지 등 다양한 광·전자 기기에 활용될 수 있다. 또한, 가시광선을 이용하는 라이파이(Li-Fi)에도 적용 가능하다. 라이파이는 빛에 정보를 실어 보내는 차세대 광통신 기술로, 와이파이(Wi-Fi)보다 100배 빠른 속도를 낼 수 있다.

앞으로 최석호 교수는 상용화를 추진하는 한편, 그래핀-실리콘 양자점 융합구조에 기반해 LED와 태양전지를 개발할 계획이다. “그래핀은 휘거나 접을 수 있는 투명한 전자 및 광전자 소자로서의 응용가능성을 인정받은 신소재”라고 설명한 최 교수는 “유연한 기판 위에 그래핀-실리콘 양자점 융합구조를 구현할 수 있도록 연구할 것”이라고 말했다. 

마지막으로 최석호 교수는 “이번 연구는 실리콘 양자점의 물리적 성질과 소자 응용에 대해 15년 이상 연구한 경험을 바탕으로 실리콘 양자점을 그래핀과 접목하면 그래핀의 독특한 성질에 의해 광효율을 크게 높일 수 있겠다는 생각에서 시작됐다”면서 “시간이 걸리더라도 꾸준히 근본을 추구하는 연구에 매진하면 좋은 성과를 거둘 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 응용물리학과 신동희(박사과정) 학생, 김성 교수와 한국표준과학연구원 김경중 박사가 참여했고, 미래창조과학부 기초연구사업(중견연구자지원) 지원으로 수행됐다.