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성균관대 연구팀, 1200배 초고효율 ‘은 나노선 광센서’ 개발

성균관대학교(총장 정규상) 에너지과학과 정문석 교수(교신저자)와 박사과정 방승호 연구원(제1저자) 연구팀이 그래핀 이후 차세대 나노물질로 떠오르는 2차원 단일층 반도체와 나노광학현상인 표면 플라즈몬(*1)을 이용하여 고효율의 광센서 개발에 성공했다고 밝혔다. 광센서는 4차 산업혁명을 이끄는 대표적인 기반 기술 중의 하나이다.
 
나노선과 단일 층 이황화몰리브덴을 이용한 고효율의 광전소자.

나노선과 단일 층 이황화몰리브덴을 이용한 고효율의 광전소자.

이황화몰리브덴(MoS2, *2)과 기타 2차원 반도체 물질은 원자층 두께로 매우 얇기 때문에 웨어러블 광전소자와 같은 광센서 응용분야에서 주목받고 있다. 이황화몰리브덴은 단일층(<1nm)에서 직접 밴드 갭을 갖고 있고 높은 전자속도 때문에 최근 여러 종류의 광센서 제작이 시도되었다. 하지만 원자층 수준의 얇은 두께에서 유래된 물질 고유의 낮은 흡수율이 광전소자 응용에 발목을 잡고 있다. 이를 극복하기 위해 다양한 방법들이 제시되고 있지만 광 효율이 낮거나 복잡한 공정상의 문제로 2차원 반도체 물질을 상업적으로 이용할만한 재현성 있는 광전소자는 아직 개발되지 못했다.  
 
연구팀은 광학적 민감도가 매우 높은 2차원 대표 반도체 물질인 이황화몰리브덴과 상업용 전자재료로 널리 사용되는 은 나노선을 이용해 고효율의 광전소자를 개발했다. 본 연구에서는 투명한 유리 위에 간단히 은 나노선을 코팅하여 강한 표면 플라즈몬 효과를 일으키는 매개체로 사용했다. 이후 단일층 이황화몰리브덴을 은 나노선 필름 위에 전사시킴으로써 기존 공정 대비 혁신적으로 증가된 효율을 지니는 적층구조를 제작했다고 보고했다.  
 
문석 교수(교신저자)

문석 교수(교신저자)

연구팀은 다양한 비파괴적 광분석(*공초점3), 광발광(confocal photoluminescence), 공초점 라만 분광(confocal Raman spectroscopy), 공초점 흡수 분광(confocal absorption spectroscopy))을 이용해 은 나노선 필름‧이황화몰리브덴 적층구조를 정밀 분석했다. 전면적으로 코팅된 은 나노와이어 위에서 이황화몰리브덴의 내부 양자효율이 560배 이상 향상되었으며, 최종 제작된 광센서의 수광 효율 또한 기존 동일물질 광센서에 비해 1200배 향상되고, 실리콘 광센서보다 120배 뛰어난 광 반응성도 얻었음을 확인했다.  
 
이 기술은 2차원 반도체 물질의 광학적 특성을 표면 플라즈몬 효과를 이용해 혁신적으로 향상시킨 우수한 연구 결과이다. 정문석 교수는 “이 연구는 기존 2차원 반도체 물질의 낮은 광 반응성을 전반적으로 수백 배 이상 향상시킬 전도유망한 기술”이라며 “지금까지 표면 플라즈몬 효과를 이용한 연구들과는 다르게 전자기장들의 상호중첩 관계 현상들에 기인한 강한 플라즈몬 효과를 쉽게 응용한 연구결과”라고 의미를 설명했다.  
 
방승호 박사과정(성균관대학교 에너지과학과)

방승호 박사과정(성균관대학교 에너지과학과)

향후 투명하고 유연성을 지니는 광전소자, 태양전지, 발광다이오드 등 여러 분야에 활용될 것으로 기대하며, 앞으로 웨어러블 대면적 광센서 연구에 이바지할 것으로 기대한다.  
 
본 연구는 한국연구재단 중견연구자 사업 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 미국 화학회에서 발행하는 나노분야 최고 권위 국제 학술지 나노 레터(Nano Letters)에 4월 11일 게재되었다.  
 
1) 표면 플라즈몬이란 나노 수준 크기의 금속표면에 특정 고유 파수를 지니는 빛이 입사할 때 금속표면에서 강한 전자기장이 유도되는 현상을 가리킨다.
2) 2차원 평면구조를 갖는 몰리브데늄(Mo)과 황(S) 화합물로 단일층에서 반도체 특성을 보인다.
3) 공초점 현미경은 기존 광학 현미경보다 높은 해상력을 가진 현미경으로 고해상도의 이미지를 제공한다.
 
온라인 중앙일보
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‘북한의 급변사태와 안정화 전략’을 주제로 북한학 박사를 받았다. 국방연구원 안보전략연구센터ㆍ군사기획연구센터와 고려대학교 아세아문제연구소 북한연구센터에서 군사ㆍ안보ㆍ북한을 연구했다. 2016년부터는 중앙일보에서 군사ㆍ안보 분야 취재를 한다.