대면적 이황화몰리브덴 기반 초고민감 이미지센서 개발
대면적 이황화몰리브덴 기반 초고민감 이미지센서 개발
  • 문채영 기자
  • 승인 2021.08.04 17:11
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김선국 성균관대학교 교수
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank

4차 산업혁명 시대에 들어서며, IT 기술 및 모바일 기기의 발전에 따른 인간과 전자기기간 생체신호-디지털 신호의 상호전달을 위해 스마트 인터페이스 기술에 관한 융복합 연구가 활발하다.

이를 위해 인간의 감각과 전자기기간 상호소통을 위한 각종 센서 연구와 함께, 다양한 형태의 전자소자 구현을 위한 가볍고, 쉽게 휘며, 휴대가 용이한 유연하고 투명한 전자회로 연구가 필요하다.

 

많은 반도체 물질이 대안으로 제시되고 있지만, 최근 2차원 나노 판()상구조체를 갖는 전이금속 칼코겐 화합물이 이를 충족시키는 새로운 후보군으로 대두되고 있다. 2011년도부터 많은 연구가 진행되었고 이 중에서 그래핀처럼 대면적으로 성장시키기 위해 많은 연구가 진행되었고 다양한 성장법이 알려지게 되었다. 기존에 보고된 연구들에서는 MoS2의 대면적 성장을 통하여 인버터 어레이 제작, 휘어있는 광센서를 제작하며 다양한 응용분야로의 가능성을 보여주고 있지만, 대면적 성장을 통한 다양한 전자/ 광전자소자 구현을 보여주는 연구는 아직 부족한 상황이다.

 

이에 김선국 교수(성균관대학교) 연구팀은 2차원 반도체 물질 이황화 몰리브덴의 다결정 대면적 성장기술에 기반, 능동이미지센서 어레이 시스템을 선보였다고 밝혔다.

 

■ MoS2 이미지센서 어레이의 구조 모식도, 사진, 회로 이미지 ■ MoS2의 대면적 성장을 기반으로 8x8 이미지센서 어레이를 제작하였다. 이미지센서의 픽셀은 한 개의 스위칭소자와 한 개의 포토트랜지스터로 구성되어 있으며 광센서는 포토다이오드가 아닌 투명한 게이트 전극을 갖는 포토트랜지스터를 이용하여 이미지센서의 광반응성을 높였다. [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김선국 교수]
■ MoS2 이미지센서 어레이의 구조 모식도, 사진, 회로 이미지 ■
MoS2의 대면적 성장을 기반으로 8x8 이미지센서 어레이를 제작하였다. 이미지센서의 픽셀은 한 개의 스위칭소자와 한 개의 포토트랜지스터로 구성되어 있으며 광센서는 포토다이오드가 아닌 투명한 게이트 전극을 갖는 포토트랜지스터를 이용하여 이미지센서의 광반응성을 높였다. [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김선국 교수]

이는 가볍고 잘 휘어 사용자와 전자기기간 인터페이스의 질을 좌우하는 핵심소재로 꼽히는 판상형 반도체 물질. 그 가운데 하나인 이황화 몰리브덴을 손바닥 크기 대면적으로 합성하고 이를 적용해 만든 민감도 높은 이미지센서이다.

연구팀은 상용 반도체 증착장비를 이용할 수 있는 합성법으로 만든 이황화 몰리브덴 기판으로 기존보다 민감도를 100배가량 높인 이미지센서를 제작했다. 또한, 연구팀은 물리적 기상증착법에 화학적 기상증착법을 더한 2단계 기상증착법으로 실리콘 웨이퍼(4인치)에 균일하게 이황화 몰리브덴을 성장시켰다.

물리적 기상증착에 사용된 실험실 수준의 4인치 증착설비 대신 상용 설비를 활용할 경우 면적확장이 가능할 것으로 연구팀은 내다보고 있다.

 

한편 이렇게 만들어진 이황화 몰리브덴을 광전자소재층으로 이용해 빛을 전기신호로 바꾸는 이미지센서를 실제 제작한 결과 높은 민감도(광반응성 120 A/W)로 구동했다.

실제 자율주행 등에 적용되는 CMOS 이미지센서의 광반응성이 ~0.5A/W 수준인 점을 고려할 때 상당히 높은 수준이라고 설명한다. 나아가 성분분석과 시뮬레이션을 통해 높은 광반응성의 원인도 알아냈다. 높은 광반응성은 광센서 등 다양한 광검출기로의 응용가능성을 뒷받침한다.

 

이번 연구에서처럼 이황화 몰리브덴 등 전이금속 칼코젠 화합물로 웨어러블 기기, 디스플레이, 에너지소자, 바이오센서 등에 쓰이는 전자소자를 만들 수 있다면 유연성과 투명성을 높여 사용자 친화적 인터페이스 구현에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 이를 위해서는 합성과정에서의 전기적 특성 저하를 해결할 대면적 성장법에 관한 연구가 지속해서 필요하다는 설명이다.

 

연구팀은 향후 대면적, 고이동도의 특성을 좀 더 발전시켜서 향후 디스플레이, 웨어러블 산업의 핵심 반도체 소재가 되도록 연구와 개발에 온 힘을 쏟고자 한다는 계획을 밝혔다. 더불어 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)611(온라인) 게재되었다.

 

 


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