KAIST 연구팀이 배터리 없이 빛만으로 작동하면서도 기존보다 20배나 민감한 광센서를 세계 최초로 개발했다고 14일 발표했다.

KAIST 전기및전자공학부 이가영 교수팀이 만든 이 센서는 기존 광센서의 큰 문제점들을 해결했다. 지금까지 쓰던 실리콘 센서는 빛에 대한 반응이 너무 약했고, 얇은 2차원 반도체는 성능을 높이는 가공이 어려웠다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 완전히 새로운 방식을 개발했다. 기존에는 반도체에 불순물을 넣어 성능을 조절하는 '도핑'이라는 과정이 필수였다. 하지만 2차원 반도체는 너무 얇아서 이 과정을 거치면 오히려 망가질 수 있었다.

연구팀은 도핑 없이도 고성능을 낼 수 있는 두 가지 핵심 기술을 개발했다.

첫 번째는 '부분 게이트(Partial Gate)' 기술이다. 이는 반도체의 일부분에만 전기 신호를 가해서 한쪽은 플러스 성질을, 다른 쪽은 마이너스 성질을 갖게 만드는 방법이다. 이렇게 하면 복잡한 가공 없이도 효과적으로 전기가 흐를 수 있다.

두 번째는 '반데르발스 전극' 기술이다. 기존 전극은 반도체와 강하게 결합해 구조를 손상시킬 수 있었다. 하지만 새로운 전극은 부드럽게 붙어서 반도체 구조를 그대로 유지하면서도 전기 신호를 잘 전달한다.

이런 혁신적 기술로 만든 센서의 빛 감지 능력은 21 A/W 이상을 기록했다. 이는 전원을 사용하는 기존 센서보다 20배 이상, 실리콘 무전력 센서보다 10배나 뛰어난 성능이다.

이번에 개발된 센서는 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 스마트워치 같은 웨어러블 기기, 건강 모니터링 장비, 사물인터넷(IoT) 기기, 자율주행 자동차, 로봇 등에 적용하면 배터리 없이도 정확한 측정이 가능하다.

특히 어두운 곳에서도 작동할 수 있어 생체 신호 감지나 정밀 센서로 바로 쓸 수 있을 정도로 민감하다.

이가영 교수는 "실리콘 센서로는 불가능했던 수준의 민감도를 달성했다"며 "이 기술은 센서뿐만 아니라 스마트폰 등 전자기기 내부 부품에도 활용돼 미래 전자기기를 더 작고 효율적으로 만드는 데 기여할 것"이라고 말했다.

황재하, 송준기 박사과정 학생이 함께 참여한 이번 연구는 세계적인 재료과학 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 19)'에 지난 7월 26일 발표됐다.