▲ MoS2 이미지센서 어레이의 구조 모식도, 사진, 회로 이미지 / MoS2의 대면적 성장을 기반으로 8x8 이미지센서 어레이를 제작하였다. 이미지센서의 픽셀은 한 개의 스위칭소자와 한 개의 포토트랜지스터로 구성되어 있으며 광센서는 포토다이오드가 아닌 투명한 게이트 전극을 갖는 포토트랜지스터를 이용하여 이미지센서의 광반응성을 높였다. (그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김선국 교수)  © 특허뉴스

가볍고 잘 휘어 사용자와 전자기기간 인터페이스의 질을 좌우하는 핵심소재로 꼽히는 판상형 반도체 물질.

그 가운데 하나인 이황화 몰리브덴을 손바닥 크기 대면적으로 합성하고 이를 적용해 만든 민감도 높은 이미지센서가 소개됐다.

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

한국연구재단은 성균관대학교 김선국 교수 연구팀이 2차원 반도체 물질 이황화 몰리브덴의 다결정 대면적 성장기술에 기반, 능동이미지센서 어레이 시스템을 선보였다고 7일 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.

이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 11일(온라인) 게재되었다.