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연세소식

[연구 프론티어] 김현재 교수팀, IoT 센서 개발을 위한 산화물 반도체 기반 광센서 이론 및 발전 과정 집대성

연세대학교 홍보팀 / news@yonsei.ac.kr
2021-05-31

김현재 교수팀, IoT 센서 개발을 위한 산화물 반도체 기반 광센서 이론 및 발전 과정 집대성

세계적인 융합 공학 저널 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 게재



공과대학 전기전자공학과 김현재 교수 연구팀의 논문이 5월 29일 세계적인 융합 공학 저널 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials, IF 27.398, JCR 상위 1.935%)에 게재됐다. 김현재 교수가 교신저자, 유혁준, 이이삭 박사과정생이 제1저자로 참여한 이번 논문은 독창적이고 영향력 있는 최신 연구 결과들, 지난 10여 년간 김현재 교수 연구그룹에서 진행한 연구 결과들에 기반해 산화물 반도체 기반 광센서 기술의 과거, 현재, 미래를 조명한 리뷰 논문이다.


지금 우리는 ‘일렉트로닉스 시대(Electronics age)’에 살고 있다. 이러한 전자기기의 발전은 1947년 실리콘 기반 트랜지스터 개발과 함께 혁신적으로 가속화될 수 있었다. 트랜지스터의 발전은 자연스럽게 더 작고, 다양한 기기에 적용되기 시작했고 그중에서도 박막트랜지스터(Thin film transistors, TFT)의 개발은 액정디스플레이(liquid crystal displays, LCD) 및 유기발광 다이오드 디스플레이(organic light-emitting diode displays, OLED display)의 발전을 태동하게 했다.


최초의 박막트랜지스터는 비정질 실리콘을 사용해 제작됐다. 박막트랜지스터는 디스플레이 내 스위치 역할을 하는 핵심소자로 이를 위해 요구되는 성능이 높아지게 됐고, 자연스럽게 이를 대체하는 새로운 소재 개발에 대한 필요성이 증대됐다.


이러한 요구는 2004년 산화물 반도체의 개발로 새로운 전환점을 맞이했다. 현재 산화물 박막트랜지스터의 개발은 어느덧 연구·개발 단계를 넘어 국내∙외 굴지의 디스플레이 기업들에 의해 상용화가 진행되고 있다. 이러한 기술의 발전 속에서 산화물 반도체는 기존에 사용되고 있는 디스플레이 내 스위치 소자를 넘어 더욱 다양하고 새로운 애플리케이션(센서, 메모리 소자 등)에 적용되어 변모되고 있다(그림 1).


[그림 1. 산화물 반도체를 활용해 제작할 수 있는 다양한 애플리케이션; 센서, 디스플레이 구동 소자, 메모리]


이러한 다양한 산화물 반도체 기반 애플리케이션 중 센서 기술은 최근 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 시대를 견인하는 핵심 기술로 여겨지고 있다. 특히 산화물 반도체 기반의 광센서는 언제 어디서든 매우 민감하면서도 범용성 있게 사용될 수 있는 차세대 플랫폼으로 촉망받고 있다.


일반적으로 광센서의 경우, 감지하고자 하는 물질이 있을 때와 없을 때 신호 차이 정도가 센서의 성능을 결정하는 중요한 지표로 여겨진다. 산화물 반도체 기반의 광센서는 기존에 사용되던 재료들에 비해 감지 전/후의 신호 변화가 매우 크다는 점에서 중요한 의의를 갖는다(그림 2). 더욱이, 디스플레이 업계에서 이미 검증된 양산 가능성이라는 특징은 많은 연구자가 산화물 반도체 기반의 광센서에 관심을 보이게 하는 중요한 장점이다.


[그림 2. 산화물 반도체 기반 광센서 구조 및 빛 감지에 따른 동작 메커니즘 모식도]


이번 논문은 산화물 반도체 기반 광센서의 가장 큰 기술적 어려움인 빛 감지 범위 제한과 지속적인 광선류(persistent photocurrent, PPC)에 대한 학계의 연구 추세를 통계자료로 뒷받침해 분석했다. 또한, 150여 편의 산화물 반도체 기반 광센서 관련 연구 중 흡수층 재료 측면에서 엔지니어링한 연구들을 분류 및 총망라했으며, 최근 이슈와 추후 연구 방향을 제시했다는 점에서 의의가 있다(그림 3).


[그림 3. 산화물 반도체 기반 광센서의 다양한 흡수층 재료 및 활용방안]


논문정보

● 논문제목: A Review of Phototransistors Using Metal Oxide Semiconductors: Research Progress and Future Directions

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202006091

 

vol. 630
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