높은 광반응성 지닌 그래핀 광검출소자 개발
투명하고 휘어지는 차세대 광전자기기 응용 가능

응용물리학과 최석호 교수팀이 높은 광반응 성능을 지닌 그래핀 광검출소자를 개발해 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 2월 12일자 온라인판에 논문을 게재했다. 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도전연구)으로 진행된 이번 연구에는 최석호 교수와 김성 교수, 김창오 박사 후 연구원 등 경희대 응용물리학과 나노구조 및 디스플레이 연구실 팀과 나노과학기술원 황의헌 교수가 공동으로 참여했다.

올 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드 적용
지난해 그래핀만으로 이뤄진 반도체 소자를 개발해 세계적 나노과학 저널 <ACS Nano> 5월 21일자 온라인판에 논문을 게재한 바 있는 최석호 교수는 당시 개발한 ‘올(All) 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드’를 광검출소자에 적용해 이번 연구결과를 도출했다. 최석호 교수팀은 그래핀 p-n 수직접합 광검출소자의 광반응 성능이 파장영역에 따라 기존의 실리콘 소자나 인듐갈륨비소 소자와 비슷하거나 그 이상(0.4~1.0 A/W)을 보이는 것을 규명했다.

실리콘과 인듐갈륨비소는 딱딱하고 불투명해 투명하고 휘어지는 차세대 광전자기기에 사용할 수 없다. 이에 투명하고 유연성이 높은 그래핀을 이용한 광검출소자 연구가 이어졌으나, 기존 소자에 비해 광반응 성능이 크게 떨어진다는 한계가 있었다.

최석호 교수팀이 개발한 광검출소자는 수직접합 구조로 기존의 그래핀 p-n 수평접합에 비해 접합 거리가 짧아 광반응 성능이 훨씬 높다. “빛에 의해 생성된 전자와 정공(전류를 운반하는 가상 입자)의 수명시간보다 전극 간 이동시간이 짧아 한 개의 광자가 여러 개의 전자와 정공을 생성하기 때문”이라고 최석호 교수는 설명했다.

특허 기술 바탕으로 응용연구 확대 계획
광검출소자는 광신호를 감지하는 소자로 넓은 파장영역에서 고감도가 요구되는 이미징(imaging), 감지(sensing) 및 광통신 기기에 사용되는 핵심부품이다. 최석호 교수는 “올 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드는 가시광선이나 적외선을 이용한 영상기기의 광검출소자뿐 아니라 투명하고 휘어지는 LED와 태양전지 등 다양한 차세대 광전자소자에 응용할 수 있다”고 전한 뒤, “신소재인 그래핀을 이용한 연구는 누가 먼저 새로운 개발을 하는가의 시간 싸움”이라면서 “이미 그래핀 다이오드 관련 기술로 국내외 특허를 다수 보유한 만큼 응용연구를 계속 확대해갈 것”이라고 밝혔다.