대면적 이황화몰리브덴 기반 초고민감 이미지센서 개발
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대면적 이황화몰리브덴 기반 초고민감 이미지센서 개발
  • 이현건 기자
  • 승인 2021.07.08 04:53
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- 이황화 몰리브덴의 광전자 소자로의 응용 가능성 제시
               (좌로부터) 성균관대학교 김선국 교수, 유나 박사, 추수호 석사, 홍성인 박사

가볍고 잘 휘어 사용자와 전자기기간 인터페이스의 질을 좌우하는 핵심소재로 꼽히는 판상형 반도체 물질. 그 가운데 하나인 이황화 몰리브덴†을 손바닥 크기 대면적으로 합성하고 이를 적용해 만든 민감도 높은 이미지센서‡가 소개됐다. 

†이황화 몰리브덴(MoS2): 2차원 나노판상 구조의 반도체 물질. 원자 한 층 두께로 유연하고 투명하며 전기적·광학적 특성이 우수한 전이금속 칼코젠 화합물 가운데 하나이다. 그래핀에 이은 판상형 반도체 물질로 주목받고 있다. 
‡이미지센서: 반도체 소자 제조기술을 이용하여 빛을 전기적 신호로 변환해주는 소자.  자율주행, 지문인식 보안칩, 의료기기, 로봇 인터페이스 등에 널리 쓰이고 있다. 

한국연구재단(이사장 노정혜)은 김선국 교수(성균관대학교) 연구팀이 2차원 반도체 물질 이황화 몰리브덴의 다결정 대면적 성장기술에 기반, 능동이미지센서 어레이 시스템을 선보였다고 밝혔다.
 
균일한 대면적 이황화 몰리브덴 합성법과 실제 전자소자나 광전자소자로의 구현을 위한 연구가 활발한 가운데, 연구팀은 상용 반도체 증착장비를 이용할 수 있는 합성법으로 만든 이황화 몰리브덴 기판으로 기존보다 민감도를 100배 가량 높인 이미지센서를 제작했다. 

연구팀은 물리적 기상증착법에 화학적 기상증착법을 더한 2단계 기상증착법으로 실리콘 웨이퍼(4인치)에 균일하게 이황화 몰리브덴을 성장시켰다. 물리적 기상증착에 사용된 실험실 수준의 4인치 증착설비 대신 상용 설비를 활용할 경우 면적확장이 가능할 것으로 연구팀은 내다보고 있다. 

한편 이렇게 만들어진 이황화 몰리브덴을 광전자소재층으로 이용해 빛을 전기신호로 바꾸는 이미지센서를 실제 제작한 결과 높은 민감도(광반응성 120 A/W)로 구동했다. 실제 자율주행 등에 적용되는 CMOS 이미지센서의 광반응성이 ~0.5A/W 수준인 점을 고려할 때 상당히 높은 수준이라는 설명이다.  

나아가 성분분석과 시뮬레이션을 통해 높은 광반응성의 원인도 알아냈다. 높은 광반응성은 광센서 등 다양한 광검출기로의 응용가능성을 뒷받침한다. 

이번 연구에서처럼 이황화 몰리브덴 등 전이금속 칼코젠 화합물로 웨어러블 기기, 디스플레이, 에너지소자, 바이오센서 등에 쓰이는 전자소자를 만들 수 있다면 유연성과 투명성을 높여 사용자 친화적 인터페이스 구현에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 이를 위해서는 합성과정에서의 전기적 특성 저하를 해결할 대면적 성장법에 대한 연구가 지속적으로 필요하다는 설명이다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구지원사업과 나노 및 소재기술개발사업 등을 통해 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 11일(온라인) 게재되었다.

* 논문명: Highly sensitive active pixel image sensor array driven by large-area bilayer MoS2 transistor circuitry
* 저널명: Nature Communications
* 키워드: image sensor(이미지 센서), MoS2(이황화 몰리브덴), TMDs(전이금속 칼코겐 화합물), thin film(박막), trap state(트랩 상태)
* 저자: 김선국 교수(교신저자/성균관대학교), 무하마드 알람(Muhammad A. Alam) 교수(교신저자/Purdue University), 홍성인 박사(제1저자/성균관대학교, The University of Texas at Austin), 니콜로 자그니(Nicolo Zagni) 박사(제1저자/University of Modena and Reggio Emilia), 추수호 석사(제1저자/성균관대학교), 유나(Na Liu) 박사(제1저자/성균관대학교), 백승호 석박통합과정(공동저자/성균관대학교), 아린담 발라(Arindam Bala) 박사과정(공동저자/성균관대학교), 유호천 교수(공동저자/가천대학교), 강병하 박사(공동저자/연세대학교), 김현재 교수(공동저자/연세대학교), 윤형중 박사(공동저자/Korea Basic Science Institute)
* DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-23711-x

 

 


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