대면적 이황화몰리브덴 기반 초고민감 이미지센서 개발
이황화 몰리브덴의 광전자 소자로의 응용 가능성 제시
□ 가볍고 잘 휘어 사용자와 전자기기간 인터페이스의 질을 좌우하는 핵심소재로 꼽히는 판상형 반도체 물질.
○ 그 가운데 하나인 이황화 몰리브덴※을 손바닥 크기 대면적으로 합성하고 이를 적용해 만든 민감도 높은 이미지센서※가 소개됐다.
※이황화 몰리브덴(MoS2) : 2차원 나노판상 구조의 반도체 물질. 원자 한 층 두께로 유연하고 투명하며 전기적·광학적 특성이 우수한 전이금속 칼코젠 화합물 가운데 하나이다. 그래핀에 이은 판상형 반도체 물질로 주목받고 있다.
※이미지센서 : 반도체 소자 제조기술을 이용하여 빛을 전기적 신호로 변환해주는 소자. 자율주행, 지문인식 보안칩, 의료기기, 로봇 인터페이스 등에 널리 쓰이고 있다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김선국 교수(성균관대학교) 연구팀이 2차원 반도체 물질 이황화 몰리브덴의 다결정 대면적 성장기술에 기반, 능동이미지센서 어레이 시스템을 선보였다고 밝혔다.
○ 균일한 대면적 이황화 몰리브덴 합성법과 실제 전자소자나 광전자소자로의 구현을 위한 연구가 활발한 가운데,
○ 연구팀은 상용 반도체 증착장비를 이용할 수 있는 합성법으로 만든 이황화 몰리브덴 기판으로 기존보다 민감도를 100배 가량 높인 이미지센서를 제작했다.
□ 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 수준이라는 설명이다.
□ 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 대한 연구가 지속적으로 필요하다는 설명이다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구지원사업과 나노 및 소재기술개발사업 등을 통해 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 11일(온라인) 게재되었다.
