국내 연구진, 그래핀 p-n 수직접합 광검출소자 개발

탁월한 투명도 및 유연성과 높은 광반응 성능 규명

이 민 선 기자

경희대학교 응용물리학과 최석호 교수, 김창오 연구박사, 김 성 교수, 성균관대학교 나노과학기술원 황의헌 교수가 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도전연구)의 지원으로 수행됐으며, 네이처 커뮤니케이션스지 2월 12일자 온라인판에 게재됐다.

CVD 통해 높은 광반응 성능 규명

그동안 광검출소자로는 현재 실리콘(Si)이나 인듐갈륨비소(InGaAs)가 널리 이용되고 있었으나, 이는 딱딱하고 불투명해 접을 수 있는 투명한 광전자기기에 사용하기에는 한계가 있었다. 때문에 원자단일층이며, 투명도 및 유연성이 높은 응용 가능성을 갖고 있는 그래핀 기반의 광검출소자에 대한 연구발표가 진행돼 왔으며, 아직은 기존 소자에 비해 광반응 성능이 크게 떨어지는 등 상업적인 수준에 미치지 못하는 한계가 있었다.

그래핀은 탄소원자가 벌집 모양으로 결합된 단일 탄소원자층으로 전도성이 뛰어나면서 투명하고 유연해 차세대 전자 및 광전자소자 재료로 각광받고 있다. 또한 광검출소자는 광신호를 감지하는 소자로 이미징(Imaging), 감지(Sensing) 및 광통신 기기들에 사용되는 핵심부품으로 알려져 있다.

이에 따라 연구팀은 올(All) 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드를 광검출소자에 적용하고 그 광반응 성능이 파장영역에 따라 기존 실리콘 소자 등과 비슷하거나 그 이상(0.4~1.0A/W)임을 규명했다.

한편, 올 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드는 금속 같은 다른 이종의 화합물을 접합시키지 않고 순전히 그래핀으로만 이뤄져 투명도와 유연성이 높은 다이오드로 알려져 있다. 정공이 전하를 운반하는 p형 그래핀과 전자가 전하를 운반하는 n형 그래핀을 수직으로 접합시킨 형태로 이 사이의 중간층이 일종의 터널링 장벽(Tunneling Barrier)의 역할을 해 다이오드의 본질인 전류스위칭 특성이 구현된다.

그동안 연구된 대부분의 그래핀 광검출소자는 수평형 p-n 접합, 그래핀-금속 접합 및 그래핀 이종접합에 기반한 장효과 트랜지스터(FET : Field Effect Transistor)의 구조를 하고 있는데, 대부분 기계적 박리법(Mechanical Exfoliation)으로 제작한 그래핀을 사용하고 있어 대면적의 실용적인 광전자 소자로 응용하기에는 부적합했다.

이 연구는 화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition)으로 산화막 위에 성장 및 전사시킨 그래핀에 각각 농도를 달리한 정공 또는 전자를 생성시키는 화합물질을 각각 도핑해 p형 및 n형 그래핀을 제작하고 이를 수직으로 접합해 다이오드를 만든 것이다.

이번 연구결과인 높은 광반응 성능의 비결은 바로 기존 수평접합과 달리 수직접합 구조로 접합거리를 줄였기 때문이다. 빛에 의해 그래핀에 생성된 전자와 정공의 수명시간에 비해 전극 간 이동시간이 짧아 한 개의 광자가 여러 개의 전자와 정공을 생성하기 때문이라는 해석이다.

LED, 태양전지 등 응용 가능성 확대

이번 연구결과를 통해 꿈의 나노소재, 그래핀만을 이용해 개발한 올 그래핀 p-n 수직접합 다이오드 광검출소자가 기존 상업용으로 시판되고 있는 광검출소자의 성능에 필적하거나 능가한다는 사실이 밝혀짐으로써 올 그래핀 p-n 수직접합 다이오드가 투명하고 휘어지는 광·전자 또는 디스플레이 기기에 필요한 다양한 소자들의 기본 구조가 될 수 있을 것으로 기대된다.

개발된 그래핀 p-n 수직접합 다이오드를 기반으로 광검출소자뿐만 아니라 관련 광전자소자들인 LED 및 태양전지 개발에도 응용될 것으로 기대되며, 아울러 CVD를 기반으로 대면적으로 소자를 제작함으로써 그래핀을 기반으로 하는 소자들의 실용화 가능성이 더욱 높아질 것으로 보인다.

Mini Interview

경희대학교 응용물리학과 최 석 호 교수

“실용화 및 다양한 응용 위한 연구에 매진하겠다!”

이번 연구의 차별점은 무엇인가?