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NEW 화학생명공학과 김상욱 교수팀, 양자점 기반 친환경 광검출 소자 개발

  • 2023-12-08
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우리 학교 김상욱 교수팀이 단파 적외선 영역에서 광학 성능을 나타내는 새로운 친환경 양자점을 제조하고, 광검출 소자에 이를 적용하는 데 성공했다. 이에 기존의 소재를 대체하여 자율주행이나 무인 이동체 등 산업·군사·천문 관측용 탐지 장치에 활용 가능한 원천소재가 될 수 있을 것으로 기대된다.  


김상욱 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀은 InSb 양자점을 염소 이온 표면 처리해 광학 성능을 극대화하고, 이를 소자에 적용하기 위해 무기 리간드 치환 기술과 접목, 높은 성능의 포토다이오드 타입 광검출기 제작에 성공했다고 밝혔다. 


관련 논문은 ‘표면 산화를 억제한 1500nm SWIR 광검출기용 콜로이드 InSb 양자점(Colloidal InSb quantum dots for 1500 nm SWIR photodetector with antioxidation of surface)’이라는 제목으로 재료공학 분야의 저명 학술지 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)> 12월 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 김종현 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 이행근 한국화학연구원 박사가 함께 참여했다.   


단파 적외선은 근적외선 영역보다 긴 파장대의 범위로 파장이 길어 투과성이 좋으며, 특히 가시광·근적외선 영역보다 태양광이나 수분에 의한 간섭이 매우 적다는 장점을 가지고 있다. 이에 단파 적외선은 자율주행이나 무인 이동체 등에서 주변 환경을 인식하기 위한 목적으로 사용되며, 흐리고 안개 낀 날이나 어두운 밤에도 활용이 가능하다. 


그러나 단파 적외선의 효율적 감응을 위한 소자의 성능과 가격 등의 측면에서는 한계를 보여 왔다. 기존 단파 적외선 감응 소자의 경우 규소(Si)나 인듐 갈륨 비소(InGaAs)를 기반으로 하나, 이 경우 1100nm 이상의 긴 파장 영역 대에서는 감도가 크게 떨어진다. 두 종류 이상 물질의 주기적 층을 쌓은 초격자 반도체의 경우, 제작 단가가 매우 비싸고 상온에서의 감지 성능이 떨어지는 단점이 있다. 이에 상대적으로 저비용이며 비냉각형 소재인 양자점(Quantum Dot)이 하나의 해결 방안으로서 학계 및 산업계의 관심을 받아왔다. 양자점은 2023 노벨화학상의 영광을 차지한 반도체 나노입자 소재로, 수 나노미터(nm) 크기의 물질이 형태나 조성에 따라 가시광에서 적외선 영역까지 파장 조절이 매우 용이하여 다양한 광소자로 연구되고 있다. 특히 황화납(PbS)이나 황화셀레늄(PbSe), 텔루르화 수은(HgTe) 같은 양자점 기반 소재를 이용한 단파 적외선 감응 소자들이 학계에서 최근 연구되어 왔다. 그러나 이런 양자점의 경우 납과 수은 같은 유독성 중금속을 사용한다는 점에서 산업계에서 널리 적용하기에는 어려움이 존재한다.


이에 아주대 공동 연구팀은 납(Pb)이나 수은(Hg)을 사용하지 않는 InSb 양자점을 주목했다. InSb 양자점은 유해 중금속을 사용하지 않는 양자점으로 알려져 있으나, 표면 산화에 매우 취약해 그 성능을 나타내기가 매우 까다롭다는 단점이 있다. 이에 연구팀은 합성 단계에서 염소 이온을 첨가해 양자점 표면 산화를 최대한 억제, InSb 양자점의 광학 성능을 극대화하고, 무기리간드 치환 기술을 접목해 안정적으로 소자에 적용 가능한 형태로 가공했다. 


연구팀은 이렇게 만든 고밀도의 양자점 필름을 ITO 기판에 코팅해 포토다이오드 타입의 광 검출 소자에 적용했다. 그 결과 상온의 1370nm와 1520nm 영역에서 각각 11.2%, 6.3%의 외부 양자효율을 달성, 별도의 냉각 장치 없이도 높은 성능이 나타남을 확인했다. 연구팀은 더불어 합성된 InSb 양자점의 단파 적외선 흡광 성능뿐 아니라 발광 또한 확인, 이를 통해 새로운 광원으로서의 가능성 또한 발견했다. 단파 적외선 발광의 경우 가시광이나 근적외선보다 인체 조직에서의 투과성이 매우 높기에 바이오 이미징에서 더욱 선명한 이미지를 얻을 수 있으며, 수분이나 햇빛 등 외부 환경에 의한 간섭이 적어 사물인터넷(IoT) 분야 등에서 응용이 가능할 것으로 보인다. 


김상욱 교수는 “이번에 개발한 InSb 양자점 제조기술은 납과 수은 같은 유독성 중금속을 활용하지 않은 친환경 기술로, 가격 경쟁력과 효율도 높아 단파 적외선 감응에 사용할 수 있는 산업계의 가장 현실적 대안”이라며 “앞으로 지속적인 추가 연구를 통해 자율주행 등 미래 기술에 응용할 수 있기를 기대한다”라고 말했다. 


이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, KIURI 및 기초연구사업 등의 지원을 받아 이루어졌고, 국내 특허 출원이 완료됐다. 


김상욱 교수는 공학대학원 화학생명공학과에서 나노재료과학 과목 강의를 담당하고 있다.



* 위 그림 설명 

a) 염소 이온에 의하여 양자점의 표면을 보호해 산화를 방지 b) 양자점 성장 온도에 따라 흡광 영역 조절 가능 c) 상기 양자점 소재를 이용한 광검출기의 모식도와 외부 양자효율 스펙트럼(주황색 : 1370nm, 적색 : 1520nm)