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기록적인 성능을 보이는 유연한 광....

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포유동물의 눈에서 영감을 받아 위스콘신-메디슨 대학 전기공학부 연구진은 지금까지 보고된 것보다 더 빠르고 반응성이 높은 플렉서블 실리콘 광트랜시스터를 개발하는데 성공했다. 

혁신적인 광트랜지스터는 무수한 제품의 성능을 향상시키는데 도움이 될 것으로 기대된다. 디지털카메라, 야간투시경, 연기 감지기 등 여러 생활장비에서부터 인공위성에까지 전기 광 센서를 필요로 하는 곳에 사용될 수 있을 것이다. 이러한 광트랜지스터가 디지털 카메라와 결합을 하게 되면 카메라의 초점 속도를 비디오 및 사진의 질 모두를 향상시키는 동시에 카메라의 크기를 줄이는 데에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 이번 연구는 저널 Advanced Optical Materials에 게재되었다. 

연구진이 개발한 이번 광트랜지스터는 감응성 및 반응속도를 비롯하여 기존에 보고된 어떠한 유연한 광트랜지스터 수치보다 더 뛰어난 특성을 가지는 것으로 확인되었다. 인간의 눈과 같이 광트랜지스터는 빛을 감지하고 모으는 과정을 거친다. 빛은 전기적 전하로 강도 및 파장 길이에 따라 변환된다. 우리 눈의 경우에는 전기적 펄스는 뇌 속에서 이미지로 변환된다. 디지털카메리에서는 전기적 전하는 1과 0의 긴 신호로 표시되며 이는 디지털 이미지로 표현된다. 

많은 광트랜지스터가 딱딱한 표면에 형성되기 때문에 그 표면은 평평해야만 한다. 이번에 만들어진 광트랜지스터는 유연한 특성을 가지고 있어서 유연하다. 이는 포유류의 눈과 매우 비슷한 구조로 만들어질 수 있다는 것을 나타낸다. “우리는 원하는 광학시스템에 적용하기 위해서 그 모양을 원하는 데로 만들 수 있게 되었다”며, “현재 기술로 이렇게 하기는 아직 어려움이 많이 남아 있다”고 말했다. 

새로운 광트랜지스터 성공의 중요한 측면 중 하나는 연구진이 이번에 개발한 혁신적인 “플립-트랜서퍼(flip-transfer)" 제조 기법이다. 이번 기술은 최종 단계에서 최종 광트랜지스터를 플라스틱 기반에 인버터 방식으로 옮길 수 있다. 여기에서 반사형 금속 층이 바닥에 위치한다. “이번 구조는 다른 광 검지기와는 달리 매우 얇은 실리콘 층으로 빛이 흡수되어 효율성이 높아진다. 이는 다른 금속 층이나 물질에 의해서 빛이 차단되지 않기 때문”이라고 연구진은 설명했다. 

연구진은 전극을 광트랜지스터의 초박막 실리콘 나노멤브레인 층 아래에 위치시켰다. 금속 층과 전극은 각각 반사면으로 작용하여서 추가적인 증폭기 없이 광 흡수를 향상시킬 수 있다. “이번 광트랜지스터에는 약한 빛을 감지하는 장치가 시스템적으로 내재되어 있다”며, “결국 이번에 개발된 광트랜지스터는 새로운 가능성의 문을 열고 있다”고 설명했다. 

이번 연구결과는 고성능의 유연한 광검지기 시스템의 커다란 잠재력을 보여주고 있다. 이번 연구는 미 공군의 재정적 지원으로 수행되었으며 높은 감응성을 가진 광검지기와 구부러진 조건에서도 안정적인 성능을 보이는 광트랜지스터를 보여주고 있다. 

그림. 위스콘신-메디슨 대학 연구진은 기존의 어떠한 광트랜지스터보다 더 빠르고 유연한 트랜지스터를 개발했다
출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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