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연세대, 2차원 물질 기반 광검출소자 개발
美노스웨스턴대 공동 연구 결과…빛 방향 정밀 측정 가능
2018년 04월 18일 (수) 13:18:24
   
연세대 안종현 교수

[대학저널 신효송 기자] 연세대학교(총장 김용학) 전기전자공학부 안종현 교수 연구팀 이원호 박사, 이용준 박사과정 연구원이 미국 노스웨스턴대학 연구진과 공동 연구를 통해 빛의 방향을 감지할 수 있는 새로운 개념의 광검출 전자소자를 개발했다.

빛의 방향 측정은 광학 분석 장비에 중요한 기술일 뿐 아니라 보안 시스템, 인공위성의 위치 보정 등에 응용될 수 있는 핵심 기술임에도 불구하고 그동안 기술적 난제로 여겨졌다. 

빛의 방향 측정을 전자소자로 구현하기 위해서는 3차원 구조 위에 여러 기능성 물질을 집적해야 한다. 하지만 3차원 구조체에서는 기존 반도체 공정 진행이 어려워서 마이크로미터(mm) 크기를 갖는 전자소자 구현에 한계가 있었다. 이에 공동 연구진은 종이접기(origami)와 팝업북 원리를 차용, 2차원 평면상에서 광전자소자를 제작한 후 힘을 제거하면 3차원 구조의 광전자 소자가 구현되는 현상을 활용했다. 

특히 기계적 특성과 광학적 특성이 매우 우수해 높은 변형에서도 안정적인 특성을 보이는 2차원 물질을 적용, 3차원 구조체에 전자소자를 결합했다. 산화실리콘(SiO2) 기판 위 감광성 재료인 SU-8을 이용하여 구조체의 모양을 형성하고, 차세대 재료로 각광받는 2차원 물질인 그래핀(graphene)과 이황화몰리브덴(MoS2)을 전극과 광활성층으로 이용해 광검출기를 구현한 것이다. 제작된 광검출기를 기판에서 떼어내 당겨진 탄성중합체(elastomer)에 부분적으로 부착하고 탄성중합체를 원상태로 풀면 2차원 구조에서 3차원 반구형 검출기가 구현된다.

개발된 광검출기는 3차원 구조와 2차원 물질의 높은 빛 투과도로 인해 빛이 한 지점을 통과한 후 다른 지점에 도달할 수 있다. 덕분에 각각의 포지션에 기반을 둔 단위 광검출기의 빛의 방향 감지가 가능하게 된다. 3차원 구조와 탄성중합체 기판의 연성으로 당김, 구부림, 비틀기와 같은 기계적 변화에도 피해를 받지 않는다.

안종현 교수는 “3차원 구조 광검출기는 자율주행차, 추적 시스템, 인공 위치 교정 시스템 등에 활용 가능할 것”이라며 “새로운 기법을 활용한 소자 개발을 통해 광검출기는 물론 향후 다양한 3차원 구조의 새로운 전자소자를 개발할 수 있는 방향이 제시된 것”라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 한국연구재단 리더(창의)연구자사업 지원으로 수행됐다. ‘2차원 재료를 기반 기능적 3차원 구조를 응용한 광검출과 이미징 소자(Two-dimensional materials in functional three-dimensional architectures with applications in photodetection and imaging)’라는 제목으로 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재됐다.


신효송 기자 shs@dhnews.co.kr
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