DGIST권혁준 교수팀, 단일 레이저 공정 2차원 반도체 소재 고성능 광검출기 구현

DGIST(총장 이건우) 전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수 연구팀이 레이저를 이용해 2차원(2D) 반도체 내부에 광검출 성능을 높이는 접합 구조를 직접 형성하는 기술을 개발했다. 연구는 별도 적층이나 전사 공정 없이 단일 레이저 조사만으로 고성능 광검출기를 구현할 수 있는 공정 기술로, 차세대 유연 센서, 이미지 센서, 집적 광전자소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.

이번 광검출기(포토디텍터, Photodetector)는 빛을 전기 신호로 바꾸는 핵심 소자로, 이미지 센서, 광통신, 사물인터넷(IoT), 유연 센서 등에 폭넓게 활용된다. 2차원 반도체는 원자층 수준의 얇은 두께와 유연성을 지녀 차세대 소재로 주목받고 있다. 그러나 기존 접합 소자는 서로 다른 소재를 층층이 쌓거나 옮겨 붙이는 방식이 많아, 공정이 복잡하고 그 과정에서 오염이나 결함이 생기기 쉽다는 한계가 있었다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 2차원 소재인 '주석 이황화물(SnS₂)' 하나에 레이저를 직접 쏘아 원하는 위치에만 접합을 만드는 공정을 새롭게 제안했다. 이 공정은 대기 중에서 간단히 진행할 수 있으며, 레이저를 맞은 부분은 두께가 얇아지면서 산소가 결합하는 성질 변화가 일어난다. 그 결과, 레이저가 처리된 곳과 그렇지 않은 곳 사이에 빛으로 만들어진 전하를 효과적으로 분리해 내는 '에너지 장벽'이 자연스럽게 형성된다.

이렇게 만들어진 에너지 장벽은 빛을 받아 생성된 (+)와 (-) 전기 입자들을 빠르게 분리하고, 이들이 다시 합쳐져 전기 신호가 소멸하는 것을 억제한다. 실제로 연구팀이 제작한 광검출기는 기존 방식보다 반응 속도가 수십 배 이상 빨라졌으며, 빛을 전기로 바꾸는 효율(703 mA W⁻¹의 광응답도 및 170%의 외부양자효율)과 미세한 빛을 감지하는 능력(2.35 × 10¹⁴ Jones의 검출능)에서 모두 매우 뛰어난 능을 보였다. 또한 여러 번 반복해서 측정해도 성능이 유지되는 안정성까지 확인했다.

권혁준 교수는 “이번 연구는 복잡한 제조 과정 없이 레이저만으로 2차원 반도체 내부에 빛을 전기로 바꾸는 최적의 환경을 직접 만들 수 있음을 증명한 사례”라며, “이 기술은 고성능 광검출기는 물론, 대면적 이미지 센서, 투명하고 휘어지는 유연 광센서 등 다양한 산업 분야로 확장될 수 있는 실용적인 공정 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 이지은 석박사통합과정생이 제1저자로, 권혁준 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 성과는 2026년 5월 광학 분야 세계적 권위의 학술지인 'Advanced Optical Materials'(JCR 상위 8% 이내)에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 개인기초연구사업(중견) 및 이노코어 프로그램, 교육부 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다.