광응답고 5.1배· 검출도 2.6배 향상
4000회 반복 굽힘에도 성능 90% 유지
한국재료연구원(KIMS·원장 최철진)은 권정대·김용훈·윤종원 에너지·환경재료연구본부박사 연구팀이 인(P) 도핑과 전기장 설계만으로 광감도는 5배 이상 높이고 반복적인 굽힘에도 성능을 유지하는 '유연 근적외선 광검출기'를 개발했다고 9일 밝혔다.
근적외선은 사람 눈에는 보이지 않지만 피부와 생체조직을 비교적 잘 통과하는 특성이 있어 스마트워치의 심박수 및 혈중산소 측정, 의료 진단, 야간 영상, 광통신 등 다양한 분야에서 활용한다. 최근에는 피부나 곡면에 밀착할 수 있는 유연 근적외선 센서에 대한 수요도 커지고 있다.
현재 웨어러블 기기에 사용되는 근적외선 센서는 주로 단단한 실리콘 광센서를 유연한 기판에 장착하는 방식이어서 반복적으로 휘어지는 환경에 적용하는 데 한계가 있다. 유기반도체와 양자점 등을 활용한 유연 광센서가 연구되고 있지만 유기반도체는 내구성이 부족하고 양자점은 환경 안정성이 낮아 성능이 저하되는 문제가 있다.
연구팀은 이를 해결하고자 상보형 금속산화막 반도체(CMOS) 반도체 제조공정과 호환되는 비정질 실리콘(n-a-Si:H)과 근적외선을 흡수하는 텔루륨(Te)을 결합한 이종접합 구조를 적용했다. 여기에 인(P) 도핑과 소자 내부 전기장 설계를 최적화해 광감도와 검출 성능을 크게 향상하고 동시에 반복적인 굽힘에도 성능을 유지하는 내구성을 확보했다.
그 결과 개발된 광검출기는 기존 구조보다 광응답도 약 5.1배, 검출도는 약 2.6배 향상됐으며 400~1600나노미터(㎚)의 넓은 파장 영역에서 빛을 안정적으로 감지할 수 있었다. 4000회 반복 굽힘 시험 후에도 초기 광응답도의 90% 이상을 유지해 높은 기계적 내구성을 입증했다.
이 기술은 별도의 복잡한 공정을 추가하지 않고도 광검출기 성능을 크게 향상할 수 있어 제조 비용 절감과 상용화 가능성이 높다. 기존 CMOS 반도체 제조공정과 호환되는 무기반도체 기반 기술로 대면적 제조에 유리하며 유연기판에서도 높은 성능과 내구성을 유지할 수 있어 인체 부착형 센서나 곡면 전자기기에 적용하기에 적합하다. 웨어러블 헬스케어 기기와 의료 진단센서, 광통신 수신기, 자율주행 및 로봇용 이미지 센서 등 다양한 유연 광전자기기의 핵심 플랫폼 기술로 활용될 것으로 기대된다.
권정대 책임연구원은 “이번 연구는 반도체 재료의 미세구조와 소자 내부 전기장을 동시에 제어해 유연 근적외선 광검출기의 성능을 획기적으로 향상한 사례”라며 ”향후 웨어러블 광센서와 차세대 광전자 시스템의 핵심기술로 활용될 것으로 기대하며 대면적 제조와 저전력 구동 기술을 접목해 차세대 플렉서블 광전자 플랫폼으로 발전시키는 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
