국립부경대·한국과학기술연구원, 차세대 AI 비전 센서 구현 앞당길 2차원 금속 전극 기술 개발

- 국립부경대 장지수 교수·KIST 황도경·문효원 박사 공동연구팀 성과

- 국제학술지 <Materials Science and Engineering R: Reports> 논문 게재

국립부경대학교와 한국과학기술연구원(KIST) 공동 연구진이 차세대 반도체인 2차원(2D) 반도체의 성능을 좌우하는 핵심 요소가 2차원 금속 전극임을 규명하고, 이를 활용해 고성능 광전자 소자와 인-센서 컴퓨팅(In-sensor Computing) 기능을 구현했다.

이번 연구 결과는 차세대 인공지능(AI) 비전 센서(인간의 시각처럼 이미지를 포착하는 센서)의 실현에도 새로운 해법이 될 것으로 보인다.

국립부경대 장지수 교수(디스플레이반도체공학전공), 한국과학기술연구원 차세대반도체연구소 양자기술연구단 황도경 박사(고려대 KU-KIST 융합대학원 학연교수)·문효원 박사 공동연구팀은 ‘2차원 금속을 활용한 새로운 광전자 소자 구조 설계’ 기술을 개발했다. 이 연구 성과는 세계적인 재료공학 분야 학술지인 <Materials Science and Engineering R: Reports>(IF=26.8)>에 6월 1일 온라인으로 게재됐다.

2차원 반도체는 원자 몇 층 두께의 초박막 구조를 갖는 신소재로, 차세대 저전력 전자소자와 인공지능 비전 시스템 등에 활용될 것으로 기대된다. 그러나 2차원 반도체와 전극이 접촉하는 계면에서 발생하는 결함과 페르미 준위 고정(Fermi-level pinning) 현상은 소자 성능을 제한하는 대표적인 문제로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 2차원 금속 전극을 활용한 광전자 소자 구조를 설계하고, 전극 특성이 광전자 성능에 미치는 영향을 체계적으로 비교·분석했다.

연구 결과, 2차원 금속은 기존 벌크 금속 전극과 달리 2차원 반도체 표면에 손상을 유발하지 않으며, 결함이 거의 없는 이상적인 계면을 형성하는 것을 확인했다. 또한 광발광(photoluminescence), 온도 의존 전기적 특성 분석을 통해 2차원 금속과 WS2 반도체 사이에서 계면 결함과 페르미 준위 고정 현상이 효과적으로 억제되는 것도 확인했다.

이와 함께 연구진은 여러 종류의 2차원 금속을 광전소자에 적용해 실험한 결과, 전극의 일함수가 광검출 특성을 결정하는 핵심 인자라는 사실을 밝혔다. 특히 높은 일함수를 갖는 염소(Cl)가 도핑된 2차원 금속 셀렌늄화주석(Cl-SnSe2)을 전극으로 적용한 경우, 광검출기의 선형 동적 범위(Line Dynamic Range)가 135 dB에 달하고 광전변환효율(Power Conversion Efficiency)은 13.6%에 이르는 우수한 성능을 달성했다.

더 나아가 연구팀은 개발된 고효율의 광전 소자를 활용해 센서 내부에서 영상 정보를 직접 처리하는 ‘인-센서 컴퓨팅(In-sensor Computing)’ 기능을 구현했다. 그 결과, 기존 금속 전극을 사용한 소자보다 2차원 금속 전극을 적용한 소자의 이미지 처리 기능이 훨씬 우수한 것으로 나타났다.

연구책임자인 장지수 교수는 “이번 연구는 2차원 금속 전극의 일함수가 소자의 광전 특성을 어떻게 결정하는지 체계적으로 규명한 것으로, 향후 인공지능 비전 시스템, 차세대 저전력 광센서 및 엣지 컴퓨팅 시스템 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 국립부경대 신임교수 학술연구비 지원사업과 과학기술정보통신부 KIST 주요 사업 및 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

※ 붙임: 1. 공동연구팀 사진. 왼쪽부터 연응선 KIST 및 KU-KIST 융합대학원 학생연구원(제1저자), 이윤정 KIST 인턴연구원(제1저자), 한성준 KIST 및 KU-KIST 융합대학원 학생연구원(제1저자), 문효원 KIST 선임연구원(교신저자), 황도경 KIST 책임연구원 및 KU-KIST 융합대학원 학연교수(교신저자), 장지수 국립부경대 교수(교신저자)

2. 2차원 금속 전극이 적용된 광전자 소자의 모식도와 광전 특성, 그리고 인-센서 컴퓨팅 구현 결과 이미지