가시광선과 적외선을 실시간 선택 검출하는 광센서 개발

아주대 허준석, 숭실대 유건욱, 버지니아대 이규상 교수팀이 가시광선과 적외선을 실시간으로 선택적으로 검출하는 데 성공했다.

하나의 광센서로 가시광과 단파장 적외선을 구분해서 검출할 수 있는 기술은 실리콘 이미지센서를 비롯해 기존 광센서에서 찾아볼 수 없는 기능을 가진 신개념 소자다.

가시광으로 인지할 수 없는 야간 또는 악천후 상황에서 적외선으로 장애물을 파악할 수 있어 운전자 보조 시스템을 비롯해 드론, 로봇 등 기계 비전 시스템에 다양하게 활용할 수 있다.

무엇보다 가시광과 적외선을 선택적으로 이미징할 수 있어 적외선으로 물체의 형태를 파악하는 동시에 가시광으로 물체의 색깔 정보까지 획득할 수 있다.

2차원 반데르발스 물질과 기존 반도체를 조합한 이종접합 구조를 기반으로 격자 길이에 제한된 이종접합 구조에서 벗어나 새로운 소자를 개발할 수 있다는 가능성을 보여주었다.

기존 반도체 물질에서 불가능했던 구조 및 기능을 새로운 2차원 물질과의 조합을 통해 구현할 수 있을 뿐 아니라, 기존 반도체의 성숙한 공정 기술을 접목할 수 있어 상용화 가능성이 큰 새로운 반도체 소자 개발이 가능하다.

기존에도 시야가 어두워질 때를 대비한 가시광선/적외선 동시검출 광센서가 연구되었지만 가시광 이미지와 적외선 이미지가 혼재하여 별도의 필터로 각 이미지를 구분해야 하는 번거로움이 있었다.

연구팀은 별도 필터 없이 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 접합하여 기존 격자 상수로 제한되는 반도체 물질 조합에서는 얻을 수 없는 독특한 에너지 밴드 구조를 구현한 것이다.

그 결과 전압에 따라 특정 파장 대역에 대한 암전류 및 광전류 증폭률을 조절, 가시광선만 검출하거나 적외선만을 검출할 수 있었다.

실제 앞 뒤가 다른 패턴을 놓고 앞에서는 가시광선을, 뒤에서는 적외선을 검출하도록 함으로써 각각 다른 두 가지 패턴의 이미지를 얻는 데 성공했다.

개발된 소자를 이용해 가시광과 단파장 적외선에 대해 구분된 이미지를 확보하는 듀얼 밴드 이미징 실험을 실시하였다.

실리콘 기판 앞면에는 웃는 얼굴, 뒷면에는 화난 얼굴을 가진 ‘지킬 앤드 하이드’ 패턴 앞쪽과 뒤쪽에 각각 가시광과 적외선을 비춘 상태에서 실험을 진행했다.

개발한 광센서를 광기전(Photovoltaic) 모드에서 이미징하면 웃는 얼굴이 나타나지만, 광전도(Photoconductive) 모드에서 이미징하면 적외선을 검출 하게 되어 숨겨진 화난 얼굴이 나타난다.

개발된 소자를 이용하면 가시광으로 파악할 수 없는 정보를 적외선을 통해 확인할 수 있음을 보여준 것이다.

허준석 교수는 “실제 적용을 위해 대면적 어레이 형태로의 확장과 대면적 2차원 소재에 직접 게르마늄 등의 반도체를 성장해 이종접합 구조를 구현하는 연구가 필요하다”고 설명했다.

이번 연구는 국제학술지‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’에 12월 15일(미국시간) 게재되었다.