한겨레

□ 고려대학교(총장 김동원) 심재원 교수팀과 오승주 교수팀이 이끄는 연구진이 고분자 광학 차폐층을 이용한 초저소음 적외선 양자점 광검출기 핵심기술을 개발했다.

□ 공과대학 전기전자공학부 심재원 교수팀(제1저자 김태혁 석박사과정)과 신소재공학부 오승주 교수팀(제1저자 최영군 석박사과정)으로 이뤄진 고려대 연구진의 이번 연구결과는 해당 분야의 세계 최고 학술지인 Advanced Materials(IF:29.4)에 한국시간 기준 11월 22일에 온라인 게재됐다.

* 논문명 : Ultra-low Noise Level Infrared Quantum Dot Photodiodes with Self-Screenable Polymeric Optical Window

□ 에너지 효율적이고 콤팩트한 사물 인터넷(IoT) 어플리케이션의 등장으로 광전자 시스템에 관한 관심이 큰 주목을 받고 있다. 이 중 양자점 광검출기(Qunatum dot Photodetector, QPD)는 높은 광 감도로 원격 감지, 깊은 조직 침투 및 특정 분자 흡수에 필요한 선택적 근적외선(Near-Infrared, NIR) 감지에서 중추적인 역할을 한다.

□ 기존 NIR PD중 실리콘 PD는 우수한 응답성과 호환성을 나타내지만, 1000nm 이상 감지에 어려움이 있고 NIR의 선택적 감지에 한계가 있었다. 그 외 가능한 대안으로, Indium gallium arsenide (InGaAs) PD는 NIR 영역 감지에 우수한 특성을 보이지만 인듐 포스파이드 (InP) 기판에 에피택셜 성장으로 높은 잡음 전류 및 외부 판독 집적 회로 (ROIC)에 통합을 위한 플립칩 본딩과 같은 복잡한 프로세스, 고비용으로 인한 원천적인 한계가 있다.

□ 고려대 연구팀은 이러한 원천적인 문제를 해결하기 위해 두꺼운 고분자 광학 차폐층을 삽입하여 선택적 NIR 감지와 동시에 극도로 낮은 노이즈를 갖는 장치 개발에 성공했으며, 이 장치의 소음 스펙트럼 밀도는 약 ~ 10-27 A2/Hz로 980nm 파장 대역에서 높은 검출도 (Specific Detectivity, D*)인 1.31 × 1011 Jones를 달성했다.

□ 고분자 광학 차폐층을 양자점 반도체에 내부에 삽입하여 자체 필터링이 가능한 기술로써 원하지 않는 가시광 영역(450-750nm)을 차단했으며 가시광 영역의 응답성(Responsivity, R)을 92% 이상 감소시켰다. 또한, 이 두꺼운 고분자층은 내부 결함과 열적으로 생성된 전류 억제 및 긴 정공 수송 경로를 제공하여 잠재적으로 노이즈 전류를 크게 감소시켰다.

□ 해당 장치는 좁은 밴드갭 재료의 높은 노이즈 전류의 한계를 해결했으며, 지금까지 보고된 양자점 광검출기 중 가장 낮은 노이즈 수준이다. 이번 성과는 적외선 양자점 광전자 장치 분야의 혁신적이고 독창적인 연구이며, 차세대 원격 모니터링과 보안 및 선택적 조직 침투 기술에 기여할 수 있는 새로운 가능성을 열어준 결과라 할 수 있다. 또한, 비용 및 간단한 공정 프로세스 기술로 잠재적인 경제성 확보와 광범위한 채택 가능성을 보여주었다.

□ 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 지원사업(2022R1A2C2009523), 이공중견연구자지원사업(신진중견연계,2022R1A2C4001517), 산업통상자원부의 기술혁신프로그램(20011336) 지원으로 수행됐다.

* 자료 제공 : 고려대학교

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