- KRISS-카이스트 공동연구팀, 2차원 층상 물질에 유기이온 삽입하는 공정개발 -

- 무인 자동차, 가스검출, 코로나 열 감지 적외선 센서개발 등에 사용 기대 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 차세대 적외선 소자제작에 활용 가능한 새로운 공정을 개발하는 데 성공했다. 이번 기술을 이용하면 기존 공정 가격의 100분 1의 수준으로 소자제작이 가능하며, 플렉서블 기기 제작 등에 활용할 수 있어 향후 응용 가능성이 클 것으로 기대된다.

▲ KRISS 송승우 선임연구원이 단순가열법으로 제작한 광검출 소자를 선보이고 있다.

 

사물인터넷(IoT)의 거의 모든 분야에서 사용되는 적외선 소자는 생활, 산업, 의료, 소방, 로봇 등 다양한 곳에서 높은 활용성으로 주목받고 있다. 적외선 소자를 이용해 제작한 센서는 사람의 행동을 관찰해 에어컨이나 조명, PC, TV 등 전원을 자동으로 껐다 켤 수 있다.

 

그러나, 적외선 소자제작에 사용되는 기존 2차원 층상 반도체 물질은 주로 가시광 영역의 밴드갭*을 가지고 있으며, 화학적으로 안정적인 물질이 드물었다. 적외선 소자를 포함한 광검출 소자**는 검출할 수 있는 빛의 파장을 밴드갭이 결정하므로 이를 조절하는 것은 매우 중요하다.

 

* 밴드갭 : 반도체나 절연체에서 전자가 구속돼있는 상태에서 벗어날 수 있는 최소한의 에너지

** 광검출 소자 : 소자에 입사되는 다양한 파장의 빛을 전기적 신호인 전류로 바꾸어 검출할 수 있게끔 제작된 소자

 

그래핀, 이황화 몰리브덴(MoS2)으로 대표되는 2차원 소재 가운데 흑린은 적외선 파장대 흡수가 가능하지만, 화학적 안정성 및 층수에 따라 급격히 밴드갭이 변화하는 등의 문제로 인해 적외선 검출 소자로 활용하기 어렵다. 2차원 소재 중 류테늄 염화물의 경우, 전자도핑을 통해 밴드갭을 자유롭게 변화시킬 수 있어 새로운 연구 소재로 주목받고 있다.

KRISS 소재융합측정연구소 첨단오페란도분석팀과 카이스트 신소재공학과 강기범 교수 연구팀은 용액에 소재를 담가 가열하는 간단한 방법으로 밴드갭을 조절할 수 있는 공정을 개발했다. 공동연구팀은 유기이온이 포함된 용액에 2차원 루테늄 염화물을 담아 가열했으며, 이를 통해 루테늄 염화물 층간에 비어있는 공간을 유기 양이온으로 채워 전자로 도핑해 밴드갭을 조절했다.

 

ㅇ 공동연구팀은 전자 간 강한 반발력을 가지는 모트 절연체인 루테늄 염화물에 유기 양이온을 삽입해 전이금속 주변에 국부적인 전하도핑을 유도했다. 

    그 결과 기존 1.2 eV의 밴드갭을 가지던 루테늄 염화물의 밴드갭을 크게 줄여 0.7 eV 영역의 근적외선 검출이 가능한 소자로 활용 가능하다는 것을 규명했다.

 

이를 이용하면 현재 사용되는 1033 ㎚(나노미터·1 ㎚는 10억분의 1 m) 파장보다 긴 1771 ㎚ 파장의 적외선을 흡수할 수 있다. 기존보다 간단하며 안정적으로 밴드갭을 조절할 수 있고, 기존 소자보다 광반응성 50배, 광반응 속도를 3배 이상 향상했다.

 

공동연구팀이 개발한 공정은 기존의 100분의 1 수준으로 매우 저렴하다. 또한, 매끈한 표면을 갖고 있어 유연 기판을 활용한 플렉서블 광검출 소자로 활용 가능하다는 것이 가장 큰 장점이다.

▲ KRISS 송승우 선임연구원(우)이 광검출 소자의 성능을 평가하고 있다.

 

KRISS 소재융합측정연구소 송승우 선임연구원은 “이번 연구결과는 여러 종류의 2차원 층상 반도체, 금속, 부도체 물질에 고루 활용될 수 있다”라며, “또한 다양한 2차원 층상물질과 유기이온의 조합을 통해 소재가 가진 물성 개선하고, 활용성 높은 신소재 합성에 이용될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

 

과학기술정보통신부 신진연구자지원사업과 KRISS 주요사업의 지원을 받은 이번 연구성과는 나노분야의 세계적 전문학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano, IF: 14.588)에 지난 11월 온라인 게재됐다.