"배터리 없이 빛으로 작동"…GIST·전북대, 차세대 광센서 개발

미세구멍 구조로 전하 유지 시간 1.8배 향상

초저전력 사물인터넷·웨어러블 기기 활용 기대

[그림] 아연주석질화물질화갈륨 이종 접합 기반 자가 구동 광센서의 구조와 내부 전기장 형성 원리. (위쪽) 전기적 성질이 다른 ‘아연주석질화물’과 ‘질화갈륨’을 접합한 광센서의 구조와 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 분리되는 과정을 나타낸다. (아래쪽) 공정 조건에 따른 아연·주석의 성분 비율과 전하 농도 분석 결과(아래 왼쪽), 두 반도체의 접합면에 형성된 88 kV/cm의 내부 전기장 분석 결과(아래 오른쪽)를 보여준다. (그래픽=지스트 제공) [email protected]

[전남광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST)과 전북대학교 공동 연구팀이 빛 자체를 에너지원으로 활용해 외부 전원 없이 작동하는 자가 구동 광센서를 개발했다.

GIST는 신소재공학과 이한얼 교수 연구팀이 전북대 박광욱 교수 연구팀과 서로 다른 반도체를 결합해 강한 내부 전기장을 형성하고, 빛을 가두는 미세 구멍 구조를 적용해 광 감지 성능을 높였다고 18일 밝혔다.

자가 구동 광센서는 빛을 전기에너지로 바꿔 별도 전원 없이 작동하는 기술로, 배터리 교체가 어려운 사물인터넷(IoT)과 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있다.

연구팀은 아연·주석·질소로 구성된 아연주석질화물(ZnSnN₂·ZTN)과 질화갈륨(GaN)을 접합한 이종 접합 구조를 적용했다.

ZTN의 성분 비율과 전하 운반자 농도를 조절해 접합 면에 88kV/cm의 강한 내부 전기장을 형성, 외부 전압 없이 전자와 정공을 효과적으로 분리하도록 했다.

또 ZTN 표면에 규칙적인 미세 구멍을 만들어 빛이 내부에서 반복적으로 산란·반사되도록 했다.

그 결과 전하 운반자 유지 시간이 기존 3.5나노초에서 6.2나노초로 약 1.8배 늘어 광 감지 성능을 높였다.

(왼쪽부터) GIST 신소재공학과 이한얼 교수(차세대에너지연구소 겸무), 전북대학교 신소재공학부 전자재료공학전공 박광욱 교수, 재료공학과 김정현 박사과정생, 황주찬 박사과정생. (사진=GIST 제공) [email protected]

실제 활용 가능성도 확인했다. 개발한 광센서를 상용 온·습도 센서와 연결한 결과, 외부 전압 2.2V 조건에서 약 0.6V의 광전압을 생성해 센서 구동을 보조하는 데 성공했다.

이한얼 교수는 "이번 연구는 반도체 접합뿐 아니라 소재 조성과 빛의 이동 경로를 함께 설계해야 자가 구동 성능을 높일 수 있음을 보여준다"며 "배터리 의존도를 낮출 수 있는 초저전력 센서와 소형 전자기기용 소자로 활용 범위를 넓혀가겠다"고 말했다.

이번 연구는 GIST 이한얼 교수와 전북대 박광욱 교수가 지도하고 김정현·황주찬 박사과정생이 수행했다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '스몰 스트럭쳐스(Small Structures)' 온라인에 지난달 31일 게재됐으며 8월호에 수록됐다.


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