국내연구진, 고효율 광소자 동작 원래 규명

고려대 이철호·하버드대 김필립 교수팀 성과

아주경제 김봉철 기자 = 국내 연구진이 기존의 실리콘 반도체나 화합물 반도체보다 더 빠른 동작 속도와 더 우수한 에너지 효율을 가진 광소자를 제작할 가능성을 열었다.

24일 미래창조과학부에 따르면 이철호 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수와 김필립 미국 하버드대 물리학과 교수 연구진은 이번 연구에서 수 원자층 두께의 2차원 물질을 수직으로 쌓아 얇은 반도체 p-n 접합을 구현하고, 소자의 전기적·광학적 특성 및 광전지 동작 원리를 밝혀냈다.

p-n 접합은 전기적 성질이 서로 다른 두 반도체 물질 간의 이종접합으로, 가장 기본적인 소자를 구성하고 외부 빛을 흡수해 전기적 신호 또는 에너지를 생성하는 광소자로 널리 사용된다.

기존 실리콘 반도체 p-n 접합의 경우 접합 면의 두꺼운 두께 탓에 소자 동작 속도가 제한되고 소자 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

하지만 연구진은 서로 다른 두 가지 종류의 2차원 반도체 전이금속 칼코겐 화합물을 수직으로 쌓아 p-n 접합의 두께를 기존 실리콘 반도체 접합면의 100분의 1수준으로 줄임으로써 전자의 이동 거리를 최소화해 속도 및 효율을 향상시킬 수 있음을 밝혀냈다.

또 실제 응용소자 개발 가능성을 열기 위해 전이금속 칼코겐 화합물과 구조적으로는 비슷하지만 전기적으로 금속성을 가진 단원자층 그래핀을 반도체 p-n 접합의 상하 수직면에 붙여 전극을 포함한 소자 전체의 두께를 원자 몇개 수준으로 줄였다.

이를 통해 빛에 의해 생성된 전자가 외부 전극으로 수집되는 속도와 효율을 획기적으로 개선해 초고속 광검출소자, 고효율 태양전지의 응용 가능성을 열었다.

연구진은 “세상에서 가장 얇은 반도체 p-n 접합을 실험적으로 구현하고 기존의 3차원 p-n 접합과의 근원적인 차이를 규명한 데 그 의의가 있다”고 설명했다.

이철호 교수는 “반도체 기본 소자인 p-n 접합을 구현하고 새로운 동작 원리를 밝혔으니 향후 초고속·고효율 광전자소자 개발 및 신개념 투명 유연소자 응용 연구에 초석이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 나노·소재기술개발사업의 제4세부 과제의 일환으로 수행됐으며 연구 결과는 나노과학 분야의 세계적 국제학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지’에 8월 11일 게재됐다.