주요 연구성과
NEW 허준석 교수 연구팀, 가시광선/적외선 실시간 선택 검출 광센서 개발
- 2022-04-13
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우리 학교 허준석 교수 연구팀이 하나의 센서로 눈에 보이는 가시광 이미지와 눈에 보이지 않는 적외선 이미지를 구분해서 획득할 수 있는 듀얼 광센서를 개발했다.
허준석 교수(전자공학과, 사진)는 숭실대학교 유건욱 교수, 미국 버지니아 공대 이규상 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 게르마늄‧이황화몰리브덴 기반의 새로운 이종접합 구조 광센서를 제안하고, 이를 통해 가시광선과 적외선을 실시간으로 선택적으로 검출하는 데 성공했다고 밝혔다.
논문 제목은 ‘Visible and infrared dual-band imaging via Ge/MoS2 van der Waals heterostructure’으로, 과학 분야 국제학술지인 <사이언스 어드밴시즈(Science Advances), IF: 14.136> 12월15일자 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대학교 석사과정 황어진 학생과 박영서 박사가 제1저자로 참여했다.
물체의 색깔 같은 가시광 이미지 뿐만 아니라 안개 같은 악천후나 야간에 유용한 적외선 이미지를 필요에 따라 선택적으로 얻는 것은 운전자 보조시스템이나 드론, 로봇 등 각종 비전 시스템의 중요한 이슈 가운데 하나다.
기존에도 시야가 어두워질 때를 대비한 가시광선‧적외선 동시검출 광센서가 연구되어 가시광부터 단파장 적외선까지 검출할 수 있는 다양한 소자들이 발표되었다. 그러나 이러한 소자들은 가시광/단파장 적외선에 구분 없이 모두 반응함으로써 가시광 이미지와 적외선 이미지가 혼재, 별도의 필터로 각 이미지를 구분해야 하는 번거로움이 있었다.
이에 연구팀은 별도 필터없이 전압 조절만으로 가시광 이미지와 적외선 이미지를 구분해 얻을 수 있는 독특한 에너지 밴드 구조의 광센서를 설계했다.
차세대 반도체 소재로 많은 주목을 받는 2차원 이황화 몰리브덴을 게르마늄(p-타입)과 반데르발스 이종 접합, 기존 격자 상수로 제한되는 반도체 물질 조합에서는 얻을 수 없는 독특한 에너지 밴드 구조를 구현한 것.
그 결과 전압 크기에 따라 전자와 정공의 흐름을 조절하고 파장 대역에 따라 암정류 및 광전류 증폭률을 다르게 조정함으로써 동작 전압에 따라 가시광선만 검출하거나 적외선만을 검출하는 광센서를 개발할 수 있었다.
연구팀은 개발된 소자를 이용해 가시광과 단파장 적외선에 대해 구분된 이미지를 확보하는 듀얼 밴드 이미징 실험을 실시했다. 실리콘 기판의 앞 뒤가 다른 패턴 ‘지킬 앤드 하이드’ 패턴을 놓고 앞에서는 가시광선을, 뒤에서는 적외선을 검출하도록 함으로써 각각 다른 두 가지 패턴의 이미지를 얻는 데 성공했다.
하나의 광센서로 가시광과 단파장 적외선을 구분해서 검출할 수 있는 기술은 기존 광센서에서는 찾아볼 수 없는 기능을 가진 신개념 소자로, 운전자 보조 시스템, 드론, 로봇 등 기계 비전 시스템에 다양하게 활용될 것으로 기대된다. 또한 학술적인 측면에서도 2차원 반데르발스 물질과 기존 반도체를 조합한 이종접합 구조를 기반으로 격자 길이에 제한된 이종접합 구조에서 벗어나 새로운 소자를 개발할 수 있는 가능성도 보여주었다.
허준석 교수는 “실제 적용을 위해 대면적 어레이 형태로의 확장과 대면적 2차원 소재에 직접 게르마늄 등의 반도체를 성장해 이종접합 구조를 구현하는 연구가 필요하다”고 설명했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 차세대지능형반도체 기술개발사업의 지원으로 수행되었다.
게르마늄/이황화몰리브덴 이종접합 광센서 모식도
기존 반도체 이종 접합이 격자 길이에 제한되었던 점에서 벗어나 반데르발스 이종접합 구조를 통해 차별화된 광센서 구현이 가능했다.
개발한 광센서를 이용한 가시광/적외선 듀얼 이미징
앞뒤가 다른 ‘지킬앤드하이드’ 패턴을 이용해 가시광과 적외선을 선택적으로 검출할 수 있음을 검증하였다.
앞에는 가시광선을 비추고 뒤에는 적외선을 비춘 상태에서 광센서의 동작모드를 제어해 두 가지 이미징 결과를 얻었다.