대면적 이황화몰리브덴 기반 초고민감 이미지센서 개발-이황화 몰리브덴의 광전자 소자로의 응용 가능성 제시

대면적 이황화몰리브덴 기반 초고민감 이미지센서 개발-이황화 몰리브덴의 광전자 소자로의 응용 가능성 제시

 

등록일2021.07.08.

 

 

 

대면적 이황화몰리브덴 기반 초고민감 이미지센서 개발  

이황화 몰리브덴의 광전자 소자로의 응용 가능성 제시 

 

 

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

○ 그 가운데 하나인 이황화 몰리브덴※을 손바닥 크기 대면적으로 합성하고 이를 적용해 만든 민감도 높은 이미지센서※가 소개됐다. 

    ※이황화 몰리브덴(MoS2) : 2차원 나노판상 구조의 반도체 물질. 원자 한 층 두께로 유연하고 투명하며 전기적·광학적 특성이 우수한 전이금속 칼코젠 화합물 가운데 하나이다. 그래핀에 이은 판상형 반도체 물질로 주목받고 있다. 

    ※이미지센서 : 반도체 소자 제조기술을 이용하여 빛을 전기적 신호로 변환해주는 소자.  자율주행, 지문인식 보안칩, 의료기기, 로봇 인터페이스 등에 널리 쓰이고 있다. 

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김선국 교수(성균관대학교) 연구팀이 2차원 반도체 물질 이황화 몰리브덴의 다결정 대면적 성장기술에 기반, 능동이미지센서 어레이 시스템을 선보였다고 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. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구지원사업과 나노 및 소재기술개발사업 등을 통해 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 11일(온라인) 게재되었다.

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 성균관대학교 김선국 교수>

 

논문명

Highly sensitive active pixel image sensor array driven by large-area bilayer MoS2 transistor circuitry

저널명 

Nature Communications

키워드 

image sensor(이미지 센서), MoS2(이황화 몰리브덴), TMDs(전이금속 칼코겐 화합물), thin film(박막), trap state(트랩 상태)

DOI

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23711-x

저  자

김선국 교수(교신저자/성균관대학교), 무하마드 알람(Muhammad A. Alam) 교수(교신저자/Purdue University), 홍성인 박사(제1저자/성균관대학교, The University of Texas at Austin), 니콜로 자그니(Nicolo Zagni) 박사(제1저자/University of Modena and Reggio Emilia), 추수호 석사(제1저자/성균관대학교), 유나(Na Liu) 박사(제1저자/성균관대학교), 백승호 석박통합과정(공동저자/성균관대학교), 아린담 발라(Arindam Bala) 박사과정(공동저자/성균관대학교), 유호천 교수(공동저자/가천대학교), 강병하 박사(공동저자/연세대학교), 김현재 교수(공동저자/연세대학교), 윤형중 박사(공동저자/Korea Basic Science Institute)

 

1. 연구의 필요성

 ○ 4차 산업혁명 시대에 들어서며, IT 기술 및 모바일 기기의 발전에 따른 인간과 전자기기간 생체신호-디지털 신호의 상호전달을 위해 스마트 인터페이스 기술에 대한 융복합 연구가 활발 하다. 

 ○ 이를 위해 인간의 감각과 전자기기간 상호소통을 위한 각종 센서 연구와 함께, 다양한 형태의 전자소자 구현을 위한 가볍고, 쉽게 휘며, 휴대가 용이한 유연하고 투명한 전자회로 연구가 필요하다. 

 ○ 많은 반도체 물질이 대안으로 제시되고 있지만, 최근 2차원 나노 판(板)상구조체를 갖는 전이금속 칼코겐 화합물이 이를 충족시키는 새로운 후보군으로 대두되고 있다. 2011년도부터 많은 연구가 진행이 되었고 이 중에서 그래핀처럼 대면적으로 성장시키기 위해 많은 연구가 진행되었고 다양한 성장법이 알려지게 되었다. 

 ○ 기존에 보고된 연구들에서는 MoS2의 대면적 성장을 통하여 인버터 어레이 제작, 휘어있는 광센서를 제작을 하며 다양한 응용분야로의 가능성을 보여주고 있지만 대면적 성장을 통한 다양한 전자/ 광전자소자 구현을 보여주는 연구는 아직 부족한 상황이다. 

    * MoS2 (이황화 몰리브덴) : 2차원 나노판상 구조를 갖는 반도체 물질

 ○ 따라서 본 연구에서는 2차원 나노물질인 MoS2의 대면적 성장을 통해 이미지센서 어레이를 최초로 제작, 차세대 반도체 물질로 각광받는 2차원 물질의 광전자소자로의 응용 가능성을 제시한다.

 

2. 연구내용 

 ○ 2차원 전이금속 칼코겐 화합물(MoS2, MoSe2, WS2, WSe2)은 우수한 전기적 그리고 광학적 특성 때문에 차세대 반도체 물질로 많은 관심을 받고 있다. 하지만 초기 연구에서 이용된 전이금속 칼코겐 화합물의 단결정 광물은 우수한 특성을 보이지만 재현성과 균일성이 낮고 대면적으로 얻기가 어려워 실질적인 응용에는 한계가 있었다. 

 ○ 따라서 차세대 전자소자/광소자의 응용을 위해서 다양한 대면적 성장법이 연구되며 다양한 응용이 제시되었다. 서울대에서 화학적 기상 증착법을 이용하여 MoS2 기반에 OLED 디스플레이를 제작하였고 Fudan 대학에서는 원자층 증착법을 통하여 웨이퍼 크기의 MoS2 인버터 어레이를 제작하였다. 하지만 여전히 광전자소자 응용에 대한 연구가 더 필요한 상황이다. 

 ○ 따라서 본 연구진은 MoS2의 대면적 성장을 기반으로 고민감도의 이미지 센서 어레이를 제작하였다. 본 연구는 2단계 성장법을 이용한 MoS2의 균일한 대면적 성장을 포함하고 있다. 성장된 MoS2 박막은 분광학적 분석(Raman, PL, XPS, UPS) 및 투과형 전자현미경으로 균일한 성장 및 결정성을 확인하였다. 

 ○ 대면적 MoS2를 통해 제작된 이미지센서 어레이는 약 5cm2/V·sec의 평균 이동도와 5.84104의 평균 온오프 전류비 보였다. 특히 광센서의 특성을 평가할 수 있는 지표인 광반응성은 119.16A/W로 높은 값을 보였으며 이는 UPS 분석을 통하여 MoS2의 전도대와 가전자대 사이에 존재하는 트랩에 의한 효과라는 것을 확인하였다. 

 ○ 나아가 트랩 유무에 따른 광반응성 시뮬레이션 결과가 실험적 측정 결과와 동일한 것으로 나타나 높은 광반응성의 이유를 확인할 수 있었다. 제안한 이미지센서 어레이는 초박막 투명 이미지센서, 인공지능 광센서 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

3. 기대효과

 ○ 개발한 대면적 2차원 나노판상 칼코겐 화합물은 그래핀 이후 ‘꿈의 반도체’ 기술로, 기존의 실리콘 기반 광전자회로를 보완 또는 대체할 것으로 기대된다. 또한 이 물질을 활용한 이미지센서 어레이뿐만 아니라 차세대 유연/투명 디스플레이 구동회로 뿐만 아니라, 추후의 연구를 통하여 광전자소자, 에너지 소자, 나노바이오센서 분야의 핵심 소재로 활용될 것으로 기대된다. 

 

그림 설명

 

 

 

 

(그림) 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

 

 

 

 

 

연구 이야기

 

                                         <작성 : 성균관대학교 김선국 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

삼성종합기술원에서 ‘차세대고이동도 박막물질’의 후보군으로 2차원 나노판상 반도체 연구를 시작했고, 2012년 경희대로 이직하고 자연광물에서 얻는 우수한 전기적, 광학적 특성을 얻고자 2~3년간 화학적증착법을 활용하여 대면적 단결정 성장에 연구를 매진하였다. 이후, 대면적 성장을 기반으로 2차원 나노판상 반도체 물질의 응용에 대한 연구를 수행하였다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

먼저 물리적 증착법을 활용하여 균일한 대면적 성장을 하였고 이후 화학적 증착법을 통하여 물질을 합성 그리고 합성 후 고온의 열처리 단계를 추가하여 고결정성 물질을 얻을 수 있었다. 이렇게 얻어진 대면적 MoS2는 고민감도의 이미지센서 어레이로 제작되었다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

기존의 방식에 의존하고자 하는 마음이 가장 새로운 연구를 하기에 걸림돌이 되었다. 이의 문제점을 깨닫고 새로운 방식의 시도가 어려웠던 것 같다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

이 연구는 차세대 구동전자재료로 각광을 받는 2차원 나노판상 전이금속 칼코겐 화합물의 대면적 성장 방법을 제시했을 뿐만 아니라 이를 이용한 고민감도 이미지센서를 제작하여 전기적, 광학적, 기계적 특성의 우수성으로 차세대 광센서로 활용가능성을 제시한 것이 큰 성과이다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

현재의 결과는 2차원 나노판상 반도체의 원천 기술을 확보하였다면, 이러한 원천연구가 대면적, 고이동도의 특성을 좀 더 발전시켜서 향후 디스플레이, 웨어러블 산업의 핵심 반도체 소재가 되도록 연구와 개발에 온 힘을 쏟고자 한다.

 

 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 

MoS2 물질이 성장되고 높은 기대 속에 광반응성을 측정하였던 그 밤을 꼭 기억하고 싶다. 대면적 성장을 통하여 제작한 소자에서 광반응성이 100이상이 나왔을 때 학생과 기뻐했던 일을 기억하고 향후 이미지센서 어레이를 개발하면서 힘들 때 그때의 긍정적 에너지와 열정을 통하여 극복하고 마침내 우수한 성과를 낼 수 있었다.