KAIST, 세계 최고 성능 무전력 광센서 개발…‘빛만 있으면 전원 없이 작동’

기존 실리콘 기반 광센서는 빛에 대한 반응성이 낮고, 2차원 반도체 MoS₂(이황화 몰리브덴)는 지나치게 얇아 도핑 공정이 어려워 고성능 구현에 한계가 있었다. 

KAIST 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀은 이러한 한계를 넘어 외부 전원 없이도 빛만 있으면 작동하는 세계 최고 성능의 무전력 광센서를 개발했다고 14일 밝혔다.

이 센서는 민감도가 21A/W 이상으로, 전원이 필요한 기존 센서보다 20배, 실리콘 기반 무전력 센서보다 10배, 기존 MoS₂ 센서보다 2배 이상 높다. 연구팀은 ‘반데르발스 하부 전극’과 ‘부분 게이트(Partial Gate)’ 기술을 결합해 도핑 없이도 PN 접합을 구현, 2차원 반도체 구조 손상 없이 안정성과 전기적 성능을 확보했다.

PN 접합은 P형과 N형 반도체를 맞붙여 빛을 받으면 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 구조로, 광센서·태양전지의 핵심 요소다. 

MoS₂처럼 얇은 2차원 반도체는 기존 도핑 방식이 구조 손상을 초래할 수 있어 적용이 어려웠다. 연구팀은 2차원 반도체 일부 영역에만 전기 신호를 걸어 한쪽은 P형, 다른 쪽은 N형처럼 작동하게 만드는 ‘부분 게이트’ 방식을 적용했고, 전극은 화학 결합 대신 반데르발스 힘으로 부드럽게 접촉시켜 본래 격자 구조를 유지하도록 했다.

이가영 교수는 “실리콘 센서에서 불가능했던 수준의 민감도를 달성했다”며 “스마트폰과 전자기기의 핵심 부품에도 적용 가능해 소형화·무전력화를 앞당길 것”이라고 강조했다. 

이번 연구는 KAIST 황재하·송준기 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며, 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’ 7월 26일 자 온라인판에 게재됐다.